«Разработка микропроцессорной системы управления стрелками и сигналами на станции» (стр. 1 )

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

(Воронежский филиал МИИТ)

Лабораторная работа №2

«Разработка микропроцессорной системы управления

стрелками и сигналами на станции»

для студентов II курса очной формы обучения специальности

190402 Автоматика, телемеханика и связь на

железнодорожном транспорте (АТС)

Воронеж - 2010

1. ЗАДАНИЕ

1.  Начертить принципиальную схему микропроцессорной системы управления в исходном состоянии, когда команда ДСП на установку заданного по варианту маршрута еще не поступила. Обозначить контакты и обмотки всех задействованных в схеме реле.

2.  Для контактов реле указать их положение, для остальных сигналов проставить логические уровни. На входах каждого модуля обозначить номера разрядов порта, которые взаимодействуют с модулем.

3.  Составить алгоритм работы МК от момента поступления в память данных МК команды установки маршрута до открытия светофора.

4.  Рассчитать число повторений локальных циклов для обеспечения требуемых задержек времени.

Схематический план нечетной горловины станции представлен на рис. 1.

Вариант задачи выбирается из таблицы 1 следующим образом:

а) Задаваемый маршрут - по последней цифре шифра студента;

б) Область памяти данных, в которой следует разместить данные о состоянии объектов контроля и объектов управления – по предпоследней цифре шифра студента;

в) Адрес ячейки памяти данных, предназначенной для фиксации результата приготовления маршрута (маршрут установлен/установка маршрута невозможна) и последующей передачи на АРМ ДСП – по предпоследней цифре шифра. В случае реализации маршрута, в ячейке должны быть записаны все единицы, а в противном – все нули, при замыкании – в младшей тетраде нули, а в старшей - единицы;

г) Частота синхронизации МК (МГц) - по последней цифре шифра студента.

д) Задержки времени для реализации управляющих воздействий определяются по последней цифре шифра студента. В таблице 1 приняты следующие обозначения: максимальное время перевода стрелки (сек), максимальное время включения сигнала светофора – (сек).

Таблица 1

Вариант	Цифра шифра
0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
а	От М19 на IП	От М25 до М11	От М 19 на 4П	От Н до М19	От М17 за М25	От М21 за М13	От М7 за М15	От М1 до М19	От М5 за М15	От М3 до М19
б	R33 – R40	R36 – R43	R39 – R46	R42 – R49	R45 – R52	R48 – R55	R51 – R58	R54 – R61	R57 – R64	R50 – R58
в	R42	R45	R48	R51	R54	R57	R50	R33	R36	R39
г	6	4.5	3	6	4.5	3	6	4.5	3	6
д		3	3.1	3.2	3.3	3.4	3.5	3	3.1	3.2	3.3
	1	1.1	1.2	1.3	1.4	1	1.1	1.2	1.3	1.4

2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Разработка принципиальной схемы системы управления станционными устройствами железнодорожной автоматики (СУУ) осуществляется в два этапа. На первом этапе осуществляется анализ общей структуры СУУ, выясняется специфика управления, а на втором этапе - производится синтез принципиальной схемы СУУ и алгоритмического обеспечения к ней.

Общая структура СУУ может быть представлена аналогично структуре большинства систем управления, применяемых в технике. Она изображена на рисунке 2. Основными элементами являются: объекты контроля и управления (ОУК), объекты контроля (ОК) и устройство управления (УУ). Перед началом анализа системы управления следует выяснить смысл понятий «объект контроля», «объект управления» и «управление».

Под «объектом контроля» (ОК) в общем случае понимается физический объект, либо группа физических объектов, состояние которых требуется учитывать при реализации некоторого процесса управления. В СУУ в качестве таких объектов обычно выступают рельсовые цепи, рельсовые педали и проч.

Под «объектом управления» (ОУ) понимается физический объект, либо группа физических объектов, состояние которых требуется изменять в заданном направлении.

Объектами контроля и управления являются объекты, которые включают все свойства как ОК, так и ОУ.

ОУК в СУУ являются в первую очередь стрелки и светофоры.

Число ОУК и ОК в реальной системе управления может быть достаточно большим. Однако, с целью упрощения анализа приведенной общей структурной схемы, число ОУК ограничено двумя, а число ОК - одним.

Состояние ОК (ОУК), характеризуется рядом контролируемых параметров Х1 – Х3 (см. рис.2). Например, для рельсовой цепи таким параметром является ток, поступающий в путевой приемник (ток, поступающий в путевой приемник, существенно изменяется при занятии рельсовой цепи подвижным составом или изломе рельса). Для светофора, такими параметрами являются целостность нитей ламп, факт их горения, либо негорения, работа светофора в дневном или ночном режиме, переключение его на резервное питание и проч.

Изменение контролируемых параметров ОУ в заданном направлении характеризует понятие «управления». Изменение контролируемых параметров осуществляется формированием управляющих воздействий на объект Y1 – Y3. Управляющие воздействия для стрелочных приводов заключаются в перемещении остряков стрелок в требуемое положение. Для светофоров управляющими воздействиями является постановка под напряжение нитей накала соответствующих ламп, режим двойного снижения напряжения, переключение на резервный источник питания.

Важной особенностью СУУ является то, что большинство контролируемых параметров является дискретными, и более того – бинарными. Бинарность параметра означает, что он может принимать только два состояния.

Рассмотрим работу системы управления.

Информация о параметрах ОУК и ОК, представленная набором контролируемых параметров Х1 – Х3, фиксируется набором датчиков Д11 – Д33. Датчики осуществляют первичное преобразование контролируемых параметров в эквивалентные значения некоторой электрической величины а1 – а3. Как правило, в СУУ в качестве датчиков используют контакты исполнительных реле, либо конечные выключатели.

Далее, набор сигналов, характеризующих контролируемые параметры, поступает на входы вторичных преобразователей ВП11 – ВП33. Назначение вторичных преобразователей многогранно - это усиление, формирование сигналов (придание заданной формы), гальваническая развязка с объектом управления. Например, применение контактов реле в качестве датчиков в

Рис. 2. Структурная схема системы управления

цифровых микропроцессорных схемах, а в частности в СУУ, напрямую без вторичного преобразования невозможно. «Дребезг» контактов при замыкании и размыкании цепей (многократные замыкания и размыкания) приводят к сбоям в работе цифровых систем.

Двоичные сигналы, сформированные на выходах вторичных преобразователей ВП11 – ВП33 (b1 –b3), поступают на информационные входы устройства управления (УУ), реализующего всю логику работы СУУ. Важно заметить, что каждый информационный вход в УУ имеет свой уникальный адрес (1а – 9а). Поэтому УУ всегда может определить какой параметр и от какого ОК поступает на соответствующий информационный вход. Помимо информационных входов УУ имеет также и информационные выходы. На эти выходы УУ подает сигналы, характеризующие управляющие воздействия (с1 – с3). Информационные выходы, также как и информационные входы имеют уникальные адреса (1б -6б).

Фактически, работа УУ заключается в опросе информационных входов по требуемым в текущей ситуации управления адресам, алгоритмической обработке результатов опроса информационных входов и формировании на соответствующих информационных выходах управляющих сигналов.

Управляющие воздействия (с1 – с3) непосредственно влиять на технологический процесс, как правило, не могут. Для того, чтобы оказать требуемые воздействия на ОУ, сигналы (с1 – с3) необходимо усилить. Также необходимо обеспечить гальваническую развязку УУ от ОУ по цепям управления. Указанные задачи выполняют усилители – преобразователи УП11 – УП23, формирующие из сигналов (с1 – с3) функционально взаимосвязанные с ними сигналы d1 – d3 . Далее, уже сигналы d1 – d3 поступают в исполнительные устройства (ИУ11 – ИУ33).

Назначение ИУ – управляемое изменение состояния ОУ. Так как ОУ функционируют на разных физических принципах, то ИУ для каждого типа ОУ является уникальным. Например, для стрелочного перевода ИУ является шибер, а для светофора – это нить накала соответствующей лампы.

На основе структурной схемы системы управления произведем синтез принципиальной схемы системы управления.

Принципиальная схема СУУ представлена в приложении 1.

На схеме приняты следующие обозначения.

А0 – А7 ­– модули первичных датчиков по сбору информации от ОУ (ОУК);

B0 – B7 – модули гальванической развязки ОК от УУ;

С0 – С3 – модули усилителей управляющих воздействий;

D0 – D3­ – модули ИУ системы управления.

Как следует из схемы, возможности системы управления по контролю составляют 8модулей×5параметров=40 параметров, по управлению 4модуля×6параметров=24 параметра.

Рассмотрим принципиальную схему системы управления.

Основным элементом, служащим для программной обработки информации, является микроконтроллер DD1 серии КР1816ВЕ48. Основные сведения о работе микроконтроллера изложены в [1]. Остановимся только на особенностях его включения в принципиальную схему. Кварц, задающий частоту тактовых импульсов, подключен к входам х1, х2. Для первоначальной инициализации микроконтроллера при включении питания к входу подключена по типовой схеме интегрирующая цепочка, состоящая из резистора и конденсатора. Для ручного сброса микроконтроллера предусмотрен ключ К1.

Шина BUS в данной схеме использована для формирования адресов ОУК и ОУ. Три младших разряда порта p00 , p01 , p02 служат для передачи адресов опрашиваемых модулей А0-А7. Два старших разряда порта p06 , p07 служат для передачи адресов модулей управления D0-D3.

Порт Р1 служит для приема информации о контролируемых параметрах от ОУК (ОК). Для приема информации о контролируемых параметрах использованы пять старших разрядов. Возможности порта реализованы не полностью, т. к. он позволяет фиксировать восемь параметров.

Порт Р2 служит для управления ОУК. Для передачи команд управления использованы шесть старших разрядов. При необходимости передачи команды управления, содержащей восемь параметров, следует подключить оставшиеся разряды.

Схема сопряжения микроконтроллера с АРМ ДСП и протокол обмена данными между ними для упрощения условий задания не оговариваются. В задании на контрольную работу только определена область памяти данных, в которой у микроконтроллера записаны текущие данные от АРМ ДСП.

Для сопряжения микроконтроллера с модулями усилителей управляющих воздействий используются демультиплексоры DD7 – DD12.

Демультиплексоры служат для распределения управляющих команд МК, формируемых в порту BUS, по адресам, указанным в разрядах p06 и p07. Адрес модуля, которому предназначена команда, определяется таблицей соответствия:

Таблица 2

Комбинация	Модуль
Р06	Р07
0	0	D0
1	0	D1
0	1	D2
1	1	D3

Каждый демультиплексор имеет адресные входы (а00 – а01) и один информационный вход (d). В зависимости от комбинации, поступающей на адресные входы демультиплексора (а00 – а01), сигнал с информационного входа (d) появляется только на одном из 4 выходов.

Так как демультиплексор имеет один информационный вход, то он может передавать только один разряд 6-разрядной команды. Для передачи всей команды требуется 6 демультиплексоров. Схема соединений демультиплексоров с микроконтроллером такова, что DD7 распределяет младший разряд команды p22 из порта Р2 МК, DD8 распределяет разряд p23; DD9 – p24 ; DD10 – p25 ; DD11 – p26 ; DD12 – p27. Одноименные выходы различных демультиплексоров объединяются в шины, число которых составляет четыре, а разрядность равна шести. Шины заканчиваются разъемами xy0 – xy3. К тем, в свою очередь, подключаются модули усилителей управляющих воздействий (C0 – C3) (аналогично модулям В0-В7). Все модули усилителей управляющих воздействий имеют одинаковую конструкцию и содержат по шесть счетных триггеров D1-D6 и шесть усилителей формирователей У1–У6. Каждый триггер и усилитель формирователь, включенные в одну цепь, занимаются формированием одного из разрядов передаваемой команды и работают независимо от других. Триггеры служат для фиксации команды, на время обращения микроконтроллера к иным управляемым модулям, что позволяет осуществлять последовательное управление всеми модулями. Например триггеры модуля С0 фиксируют команду в течение времени обращения к модулям С1-С3 и т. д.

На выходе каждого модуля усилителей управляющих воздействий имеется разъем xxi. К этому разъему подключаются модули исполнительных устройств D0 – D3. Модули исполнительных устройств содержат группы исполнительных реле, причем к каждому из разрядов разъема xxi подключается обмотка одного исполнительного реле (могут включаться по схеме самоблокировки).

Использование в схеме управления демультиплексоров – устройств жесткой логики, приводит к тому, что адресация ОУ является аппаратной. Т. е. при формировании в разрядах p06 и p07 кода 002 управление всегда осуществляется модулем D0, а при формировании в них же кода 112 управление осуществляется модулем D3 (смотри таблицу 2).

Счетные триггеры в модулях C0-C3 фактически осуществляют деление входного импульсного сигнала на два (считает периоды импульсного сигнала), поэтому для перевода триггера в состояние «лог.1» на его вход последовательно подаются «лог.1» и «лог.0». Для перевода триггера в состояние «лог.0» снова пропускается последовательность «лог.1» - «лог.0». Указанные последовательности должен реализовывать микроконтроллер алгоритмически.

Для сопряжения микроконтроллера с модулями гальванической развязки ОК используются мультиплексоры DD2 – DD6. Мультиплексоры выполняют функцию, обратную функции демультиплексоров.

Каждый мультиплексор имеет восемь информационных входов (d00 – d07), подключаемых к модулям гальванической развязки, три адресных входа (а00 – а02) и один выход Q. В зависимости от кодовой комбинации, поступающей на адресные входы, к единственному выходу Q подключается один из восьми входов, а остальные отключаются.

Так как мультиплексор имеет только один выход, то он может мультиплексировать только один разряд данных, в то время как разрядность данных, которые обрабатывает микроконтроллер, равна 5. Соответственно, для мультиплексирования всех 5 разрядов следует использовать 5 мультиплексоров. Способ их присоединения к микроконтроллеру показан на принципиальной схеме. Одноименные информационные входы мультиплексоров объединены в шины. Принцип объединения аналогичен принципу объединения выходов демультиплексоров. В результате получается восемь пятиразрядных шин данных от ОУ. Каждая из шин данных от ОУ заканчивается пятиразрядным разъемом fyi .

К каждому разъему подключаются выходы одного из модулей гальванической развязки ОУ от СУ (В0 – В7). Каждый модуль гальванической развязки содержит по пять независимых элементов гальванической развязки и формирования сигнала Ф1 – Ф5. Один элемент позволяет сформировать только один разряд передаваемых данных.

Входы формирователей выведены в разъемы fxi. К разъемам подключают выходы модулей первичных датчиков (А0 – А7). Модули могут содержать как контакты реле, так и перемычки.

Адресация ОК при использовании мультиплексоров является аппаратной, т. е. не зависит от программы работы микроконтроллера и определяется только номером разъема, к которому подключен тот или иной ОК. Адрес модуля ОК определяется таблицей 3

Таблица 3

Комбинация	Модуль
Р02	Р01	Р00
0	0	0	А0
0	0	1	А1
0	1	0	А2
0	1	1	А3
1	0	0	А4
1	0	1	А5
1	1	0	А6
1	1	1	А7

Процесс обмена данными между микроконтроллером и ОУ (ОУК) имеет важную особенность. Она заключается в том, что скорость работы микроконтроллера значительно превышает время срабатывания устройств автоматики. Например, микроконтроллер может выполнить порядка 400тыс. операций/сек., тогда как одна только операция перевода стрелки занимает секунды. Время срабатывания реле автоматики по сравнению со скоростью выполнения операций микроконтроллером также велико.