Реферат: Разработка системы теплоснабжения - текст реферата. Скачать бесплатно.
Банк рефератов, курсовых и дипломных работ. Много и бесплатно. # | Правила оформления работ | Добавить в избранное
 
 
   
Меню Меню Меню Меню Меню
   
Napishem.com Napishem.com Napishem.com

Реферат

Разработка системы теплоснабжения

Банк рефератов / Технологии

Рубрики  Рубрики реферат банка

закрыть
Категория: Реферат
Язык реферата: Русский
Дата добавления:   
 
Скачать
Microsoft Word, 663 kb, скачать бесплатно
Заказать
Узнать стоимость написания уникального реферата

Узнайте стоимость написания уникальной работы

Разработка системы теплоснабжения города Самары ВВЕДЕНИЕ Развитие современной вычислительной техники , электроники и радиотехники позволяет создав ать сложные системы , предназначенные для выпо лнения различных научных , производственных , технол огических задач . Использование таких систем п ризвано улучши ть качество , эффективность тех или иных производственных целей . Существу ет несколько научных направлений , в основе которых лежит объединение вычислительной техни ки и электроники с технологическими процессам и , радиоаппаратурой . На основе этих направлени й р а зработано огромное количество самых разных по функциям охранных , противоп ожарных систем . Если раньше объединение разли чных высоконаучных технологий и средств вычис лительной техники использовалось в основном в решении различных научных проблем , таких как о с воение космоса , изучение нед р земли и многих других , то сейчас так ие высоконаучные технологии используются и в повседневной жизни. Особенностью проекта является его разрабо тка на основе действующей системы теплоснабже ния города Самары . В настоящее время пр едусмотрено техническое оснащение более 100 пунктов учета тепловой энергии , расположенных в Солнечном и Приволжском микрорайонах город а . Аппаратно-программный комплекс предназначен для передачи и контроля измеряемых параметров с пунктов учета тепловой эне р г ии , рассредоточенных по территории города Сам ары , на диспетчерский пункт . Применение аппара тно-программного комплекса позволит повысить эффе ктивность работы системы теплоснабжения города , улучшит оперативность выполнения тех или и ных восстановительных ра б от , так к ак комплекс будет следить за работой сист емы теплоснабжения круглосуточно . Рассматриваемая тепловая сеть находящаяся в Солнечном и Приволжском микрорайонах , состоит из следующих элементов : – подающих трубопроводов ; – обратных трубопроводов ; – тепл овых насосных станций. Объектами системы являются тепловые насос ные станции . Станции имеют две разновидности технологических схем . На станциях первого типа тепловые насосы стоят на обратных линиях . На станциях второго типа имеются теплообменники , а насосы установлены на подающих линиях . Однако разница в технологиче ских схемах не имеет существенного значения для решения принципиальных вопросов по п остроению системы . Разница будет лишь в то чках установки некоторых датчиков . Все основн ые решения одинаковы для тепловых насосных станций как первого , так и второг о типа [1] . Количество тепловой энергии и масса (и ли объем ) теплоносителя , полученные потребителем , определяются энергоснабжающей организацией на основании показаний приборов его узла учета за определенный Договором период по формуле : Q = Q и + Q п + ( G п + G гв + G у )*( h 2 - h хв )*10 -3 , где Q и - тепловая энергия , израсходованная потре бителем , по показаниям теплосчетчика ; Q п - тепл овые потери на участке от границы балансо вой принадлежности системы теплоснабжения п отребителя до его узла учета . Эта величина указывается в Договоре и учитывается , если узел учета оборудован не на гра нице балансовой принадлежности ; Gп - масса сетевой воды , израсходованной потребителем на подпитку систем отопления , по показаниям водосчетч ика (учитывается для систем , подключенных к тепловым сетям по независимой схеме ); G гв - мас са сетевой воды , израсходованной потребителем на водозабор , по показаниям водосчетчика (учит ывается для открытых систем теплопотребления ); G у - масс а утечки сетевой воды в системах те плопотребления . Ее величина определяется как разность между массой сетевой воды G 1 по показанию водосчетчика , установленного на подающем тру бопроводе , и суммой масс сетевой воды ( G 2 + G гв ) по показаниям водо счетчиков , установленных соотве тственно на обратном трубопроводе и трубопроводе горячего водоснабжения , G у = [ G 1 - ( G 2 + G гв ) ] ; h 2 - энтальп ия сетевой воды на выводе обратного трубо провода источника теплоты ; h хв - энт альпия холодной воды , используемой для подпит ки систем теплоснабжения на источнике т еплоты. Величины h 2 и h хв опре деляются по соответствующим измеренным на узл е учета источника теплоты средним за расс матриваемый период значениями температур и да влений [ 2 ] . В системах теплопотребления , где приборам и учета определяется только м асса (или объем ) теплоносителя , при определении величин ы израсходованной тепловой энергии по выражен ию значение Q и находится по формуле : Q и = G 1*( h 1 - h 2)*10 -3 , где G 1 - масса сетевой воды в подающем трубопроводе , полученная потребителе и определенная по его приборам учета ; h 1 - энтальпия сетевой воды на выв оде подающего трубопровода источника теплоты ; h 2 - энтальпия сетевой воды на выв оде обратного трубопровода источника теплоты. Величины h 1 , h 2 опре деляются по соответствующим измеренным на узл е учета ист очника теплоты средним за рассматриваемый период значениям температур и давлений. Аппаратно-программный комплекс предназначен д ля контроля из диспетчерского пункта , который расположен на насосной станции “Солнечная” , за работой тепловых насосных станций Со лнечного и Приволжского микрорайонов . Теп лоснабжение города действует в условиях посто янно растущей нагрузки , обусловленной продолжающи мся жилищным строительством . При этом необход имо решать следующие вопросы : – повышение надежности теплоснабжения , т о есть обеспечение бесперебойной подачи тепла потребителям ; – снижение эксплуатационных расходов. Тепловая сеть характеризуется рассредоточенн остью трубопроводов и тепловых насосных станц ий по территории города , большим числом па раметров контроля , изменение одно го из которых ведет за собой изменение ряда других . Многие события , происходящие в теплово й сети , возникают в случайные моменты врем ени и заранее не могут быть предсказаны (прорывы трубопроводов , поломки насосов , аварии в системе электроснабжения насосных ). При достаточно большом числе контролируем ых пунктов , входящих в состав системы тепл оснабжения , сложной структуре их рассредоточеннос ти , значительно повышаются требования к опера тивности действий системы управления . Любая система характеризуется техничес кой и информационной надежностью . Наиболе е эффективным путем повышения достоверности п ринятой информации является использование собств енных возможностей системы . Применяя в соотве тствии с внешними условиями тот или иной способ формирования сигналов , испол ь зуя наиболее близкий к оптимальному м етоду их передачу можно обеспечить требуемую надежность передачи информации . В этой си стеме информация передается с помощью радиоси гналов , так как в условиях города Самары и состояния телефонной городской сети эт о наиб о лее приемлемый и доступный в экономическом смысле способ. Внедрение аппаратно-программного комплекса по зволяет отказаться от постоянного обслуживающего персонала на тепловых насосных станциях . Дежурство обслуживающего персонала будет организ овано в одном м есте - диспетчерском пу нкте , что позволит снизить эксплуатационные р асходы . Современное состояние микроэлектроники , вы числительной техники позволяет эффективно решать задачи повышения надежности и качества т еплоснабжения крупных городов . Это вызвано те м , ч то комплекс в значительной м ере превосходит человека в способности наблюд ать и контролировать , в виду того , что количество и размещение датчиков может быть любым . Основным звеном системы является к онтроллер на пункте учета тепловой энергии , так как его ап п аратное и п рограммное обеспечение - это звено передачи ин формации . Он выполняет команды программы и организует передачу информации . Программное обе спечение делится на общее программное обеспеч ение , поставляемое со средствами вычислительной техники и специ а льное программное обеспечение , которое специально разработано для данной конкретной системы и включает программы , реализующие ее функции. 1. Постановка задачи 1.1. Требования к аппаратно-программным средствам перифери йных устройств системы сбора показаний счетчиков тепловой энергии Конечным звеном аппаратно-программ ного комплекса должен являться компьютер (ПК ), на котором обрабатывается и отображается вся получаемая от контролируемых пунктов и нформация . Пе рсональный компьютер на дисп етчерском пункте должен работать круглосуточно , под управлением специально разработанного прог раммного обеспечения . Программное обеспечение обе спечивает связь с модемом-декодером , отображает на экране дисплея состояние всех пун к тов учета тепловой энергии по очереди. Программное обеспечение , математическое обесп ечение должно быть универсальным , позволять п одключение очередного пункта учета тепловой э нергии к системе независимо от технологически х особенностей ее работы , с различным числом и типом основного оборудования конт ролируемого пункта . Должна предусматриваться возм ожность работы с контролируемым пунктом в информационном режиме и в режиме реализаци и функций телесигнализации . Экранная картинка на мониторе персонального компьют е ра должна отображать информационно-управляющие особ енности опрашиваемого в данный момент времени пункта учета тепловой энергии . Работа апп аратуры диспетчерского пункта и аппаратуры ко нтролируемого пункта от резервного источника электропитания должна обесп е чиваться в течение 14 часов . Узел учета тепловой энергии оборудуется средствами измерения (теплосчетчиками , водосчетчи ками , тепловычислителями , счетчиками пара , приборам и , регистрирующими параметры теплоносителя , и др .), зарегистрированными в Государствен ном реестре средств измерений и имеющими серти фикат Главгосэнергонадзора Российской Федерации. Приборы учета - приборы , которые выполняют одну или несколько функций : измерение , на копление , хранение , отображение информации о к оличестве тепловой энергии , мас се (или объеме ), температуре , давлении теплоносителя и времени работы самих приборов. Тепловой пункт (ТП ) - комплекс устройств для присоединения систем теплопотребления к тепловой сети и распределения теплоносителя по видам теплового потребления. Тепловая сеть - совокупность трубопровод ов и устройств , предназначенных для передачи тепловой энергии. Узел учета - комплект приборов и устро йств , обеспечивающий учет тепловой энергии , ма ссы (или объема ) теплоносителя , а также кон троль и регистрацию его параметров. Водосчетчик - измерительный прибор , предназначе нный для измерения объема (массы ) воды (жид кости ), протекающей в трубопроводе через сечен ие , перпендикулярное направлению скорости потока. Теплосчетчик - прибор или комплект приборо в (средство измерения ), пре дназначенный для определения количества теплоты и измерения массы и параметров теплоносителя. Тепловычислитель - устройство , обеспечивающее р асчет количества теплоты на основе входной информации о массе , температуре и давлении теплоносителя. Зависимая схем а подключения системы теплопотребления - схема присоединения системы теплопотребления к тепловой сети , при котор ой теплоноситель (вода ) из тепловой сети п оступает непосредственно в систему теплопотребле ния. Закрытая водяная система теплоснабжения - система теплоснабжения , в которой вода , ц иркулирующая в тепловой сети , из сети не отбирается. Независимая схема подключения системы теп лопотребления - схема присоединения системы теплоп отребления к тепловой сети , при которой те плоноситель , поступающий из тепловой сети , проходит через теплообменник , установленный на тепловом пункте потребителя , где нагревает вторичный теплоноситель , используемый в дальней шем в системе теплопотребления. Открытая водяная система теплоснабжения - водяная система теплоснабжения , в кото рой вода частично или полностью отбирается и з системы потребителями теплоты [ 2 ] . При использовании для учета тепловой энергии теплосчетчиков , тепловычислителей и счетч иков массы (объема ), реализующих принцип измере ния расхода теплоносителя методом переменн ого перепада давления (где в качестве сужающего устройства используется диафрагма , сопло или другое сужающее устройство , выполне нное в соответствии с требованиями РД 50 - 411- 83), узел учета должен быть аттестован в и ндивидуальном порядке Госстандартом и с огласован с Госэнергонадзором. Каждый прибор учета должен проходить проверку с периодичностью , предусмотренной для него Госстандартом . Приборы учета , у которых истек срок действия проверки и (или ) с ертификации , а также исключенные из реестра средств измере ний , к эксплуатации не допускаются. Выбор приборов учета для использования на узле учета источника теплоты осуществля ет энергоснабжающая организация по согласованию с Госэнергонадзором. Выбор приборов учета для использования на узле учета потребителя осуще ствляет потребитель по согласованию с энергоснабжающ ей организацией. В случае разногласий между потребителем и энергоснабжающей организацией по типам приборов учета , окончательное решение принимает ся Госэнергонадзором. Приборы учета должны быть защ ищены от несанкционированного вмешательства в их работу , нарушающего достоверный учет тепловой энергии , массы (или объема ) и ре гистрацию параметров теплоносителя. В Правилах учета тепловой энерги и и теплоносителя установлены требования к метрологическим характерис тикам приборов у чета , измеряющих тепловую энергию , массу (объем ) воды , пара и конденсата и регистрирующих параметры теплоносителя для условий эксплуат ации , определенных Договором. Теплосчетчики должны обеспечивать измерение тепловой энергии горячей воды с от носительной погрешностью не более : – 5%, при разности темпера тур между подающим и обратным трубопроводами от 10 до 20 С ; - 4%, при разности темпера тур между подающим и обратным трубопроводами более 20 С. Теплосчетчики до лжны обеспечивать измерение тепловой энергии горячей пара с относительной погрешностью не более : – 5%, в диапазоне расхода пара от 10 до 30%; – 4%, в диапазоне расхода пара от 30 до 100%. Водосчетчики д олжны обеспечивать изм ерение массы (объем а ) теплоносителя с относительной погрешностью не более : – 2% в диапазоне расхода воды и ко нденсата от 4 до 100%. Счетчики пара должны обеспечивать измерен ие массы теплоносителя с относительной погреш ностью не более : – 3% в диапазоне расх ода пара от 10 до 100%. Для прибора учета , регистрирующего темпер атуру теплоносителя , абсолютная погрешность t, С , измерения темп ературы не должны превышать значений , определ яемых по формуле : t = (0,6 + 0,004*t), где t температура теплоносителя. Приборы учета , регистрирующие давление те плоносителя , должны обеспечивать измерение давлен ия с относительной погрешностью не более 2%. Приборы учета , регистрирующие время , должны обеспечивать измерение текущего времени с относительной погрешностью не более 0,1 % [ 3 ] . Одним из тепловычислителей , который может найти применение в системе может стать Тепловычислитель Многофункциональный Микропроцесс орный ТВМ -441. Тепловычислитель многофункциональный микропроцес сорный ТВМ -441 (в дальнейшем - тепловычислитель ) пр едназначен для сбора , обработки и регистрации информации о количестве полученной потребите лем или выработанной производителем тепловой энергии , температуре , давлении , объеме (массе ) теплоносителя и о времени работы в о ткрытых и закрытых водяных системах теплоснаб жения при давлениях до 1,6 МПА (16 кг\см 2) и температурах до +150 °С. Область применения - теплоэнергетика , системы коммерческого учета расхода горячей во ды и тепловой энергии , автоматизированные сис тем сбора и обработки данных тепло и водопотребления. Оборудован энергонезависимым таймером реальн ого времени и обеспечивает вычисление следующ их параметров по заданной гидравлической схем е : – массы теплоносителя в трубопрово дах систем теплоснабжения ; – разность температур ; – разность давления ; – потребленной тепловой энергии ; – тепловой мощности. Производит диагностику датчиков , линий св язи и напряжения батареи (аккумулятора ), также контроль д анных поступающих от датчи ков . Информация о неисправностях архивируется и сохраняется в энергонезависимой памяти. Установочные параметры тепловычислителя ввод ятся с клавиатуры с ограниченной возможностью доступа , обеспечивается вывод на жидкокриста ллически й индикатор необходимой информации по требованию , осуществляется установка необход имых параметров с помощью iButton фирмы Dallas Semiconductor, обесп ечивается прием необходимых параметров и пере дача информации по спецификации RS485, RS232. Имеет воз можнос т ь питания от сети переменн ого тока 220В 50Гц , обеспечивает передачу нео бходимой информации с помощью iButton в компьютер , имеет возможность включения в информационну ю сеть с другими тепловычислителями и ком пьютером по спецификации RS485, обеспечивает рабо т у в автономном режиме (без вн ешнего источника питания ). Измерение температуры : (Для измерения разности температур необ ходимо использовать подобранные пары датчиков ) – количество измерительных каналов - 4; – тип температурных датчиков - термометры сопротивл ения , градуировочные характеристики Pt100 или Pt500; – диапазон измерения температуры - +1… +150 °С ; – абсолютная погрешность измерения , не более ± (0,2 +0,04t) °С ; – абсолютная погрешнос ть измерения разности температур - не более ± 0.1 °С ; – схема включени я датчика - 3-х проводная ; – длина линии связи до датчика , - не более 100м. Измерение расхода (массы ) теплоносителя : – количество измерительных каналов - 4; – типы водосчетчиков (расходомеров ) (выход ной сигнал - импульсный ) - ОСВИ Ду 25..40, ВМХ , ВМГ Ду 40 … 300, ВЭПС-ТИ Ду 20… 200, ДНЕПР -7 Ду до 1600 и им аналогичные ; – диапазон измерения расхода (массы ) - определяется типом водосчетчика ; – абсолютная погрешность измерения - ± 1 импульс ; – длина линии связи до датчика , н е более - 100м. Измерение давления тепл оносителя в трубопроводах : – количество измерительных каналов - 1; – типы манометров (выходной сигнал 0-5м А , 0-20мА или 4-20мА ) - САПФИР - 22М , САПФИР -100, СТАР Т -400 и им аналогичные ; – диапазон измерения - 0 - 1,6 МПА ; – относительная приведенная погрешнос ть измерения выходного сигнала , не бол ее - ± 0,5%; – длина линии связи до датчика , н е более - 100м ; – относительная приведенная погрешность , не более - ± 0,01%. Вычисление тепловой энергии производится при разности температур не менее 0,1°С. Измерение параме тров и их архивац ия производится с дискретностью по времени 1час. Время работы тепловычислителя в автономно м режиме не менее 1 года. Тепловычислитель имеет климатическое исполне ние УХЛ 4 по ГОСТ 15150. По устойчивости к к лиматическим воздействиям - группа исполнения В 4 по ГОСТ 12997 и рассчитан на эксплуатацию при температуре окружающего воздуха от +1 до +50 °С и относительной влажности не более 95%. Тепловычислитель имеет степень защиты IP65 п о ГОСТ 14254. По устойчивости к механическим воздействи ям тепловы числитель относится к виброусто йчивому и вибропрочному исполнению группы 1 по ГОСТ 12997. Тепловычислитель устойчив к воздействию в нешнего магнитного поля напряженностью до 400А /м , изменяющегося синусоидально с частотой 50 Гц [ 4 ] . 1.2. Задачи , которые должны решать периферийные устройства системы На данный момент реализации ТМС выпол няет функции телеизмерения и телесигнализации . Проектируемая система является комплексом из трех основных частей : – аппаратных средств (датчики , радиост анции , преобразователи ); – программного обеспечения для компьютер а ; – математического обеспечения , содержащего правила и формулы преобразования информации. Аппаратно-программный комплекс предназначен д ля передачи значений контролируемых параметров на значи тельное расстояние от объектов контроля . Основная задача , которая решается при создании телеизмерительной аппаратуры , закл ючается в том , чтобы обеспечить возможность измерения как электрических , так и неэлектр ических параметров с высокой степенью точност и. С этой целью любая измеряемая вел ичина преобразуется в другую , вспомогательную величину , удобную для передачи по каналу связи , которая не искажалась бы каналом св язи , не зависела от действия помех и м огла передаваться с минимальной затратой энер гии. Систе ма телесигнализации позволяет на расстоянии следить за работой оборудования тепловой насосной станции (состояние насосов ) или пунктом учета , а также система до лжна оповещать диспетчера об аварийных ситуац иях , возникающих в том или ином месте , так как обсл у живающий персонал от сутствует. Устройства телесигнализации состоят из пе редающей и приемной аппаратуры и линии св язи . Сигналы в этих устройствах передаются в виде отдельных кодов и классифицируются по назначению . В настоящей телемеханической системе телеиз мерения применяется для передачи сигналов служебного назначения , вызова датчиков , воздействия на настройку автоматич еских регуляторов. 1.3. Возможные пути решения задач п ериферийными устройствами системы В связи с наложенными жест кими ограничениями на качество и оперативность передачи измеренных параметров , возможным путем решения вышеперечисленных задач будет являться применение в качестве основного передающего узла однокристальной ЭВМ. При получении сигнала с диспетчерского пункт а на считывание информации с тепловычислителя , микроЭВМ производит считывание требуемых параметров в свою память и посл е этого транслирует их с помощью модема и радиостанции на диспетчерский пункт. В такой схеме будет достигнута максим альная защищенность д анных от искажений при передаче внутри контроллера , который в основном состоит из однокристальной ЭВМ , которая , как видно из ее названия , выпол нена на одном кристалле , и , следовательно , имеет очень высокую надежность. 2. Структурн ые решения 2.1. Разработка функциональной струк туры Функции системы определяются , исходя из необходимости операций получения , сбора , переда чи , обработки , хранения регистрации и пр едставления информации . Поясним некоторые функцио нальные преобразования телемеханической информации. Насосная станция представляет собой контр олируемый пункт , на котором осуществляется по лучение информации следующего вида : предупредител ьной и аварийной , о работе оборудования , о значениях температуры теплоносителя . Получ енная информация должна быть преобразована в электрические сигналы , с последующим преобра зованием этих сигналов . Далее сигналы преобра зуются для передачи их по каналу связи . От каждой насо с ной станции по своему каналу связи сигналы передаются н а диспетчерский пункт , где происходит расшифр овка сигналов , производится предварительная обраб отка и преобразование информации , которая пос тупает в компьютер . Результаты обработки выда ются на дисплей к омпьютера или принтер. На пункте учета тепловой энергии инфо рмация от датчиков телеизмерения и телесигнал изации поступает в преобразователи информации , в которых эта информация преобразуется в нормализованные электрические сигналы . Эти сигн алы по проводным линиям связи передаютс я на тепловычислитель. Тепловычислитель производя математические оп ерации по заранее известным формулам для расчета количества теплоты , объема (массы ) тепл оносителя , по разнице давлений , температур и расходу теплоносителя в подающем и об ратном трубопроводах определяет необходимые пара метры. С тепловычислителя информация байт за байтом поступает на контроллер . Тепловычислител ь способен хранить и передавать архив нак опленной информации за 40 дней . В архиве хра нятся среднесуточные значен ия параметров . Существует режим передачи мгновенных параметров системы контроля . Вместе с мгновенными па раметрами передаются среднечасовые значения. К контроллеру также подключены датчик защиты от взлома пункта учета тепловой энергии (охранный ), пожарной б езопасности и датчик затопления . При обнаружении сигнала от одного из этих датчиков контроллер связывается с диспетчерским пунктом и передае т сигнал тревоги , по которому операторы до лжны принять соответствующие меры. Далее контроллер передает данные на м од ем , который в свою очередь кодирует сигналы и передает их на радиостанцию , которая , соответственно отправляет эти сигналы в эфир. На диспетчерском пункте установлена радио станция для обмена сигналами с пунктом уч ета тепловой энергии . Большую часть времени радиостанция на диспетчерском пункте нахо дится в режиме “прием” . При этом постоянно анализируется информация , получаемая из эфир а . Информация передается сплошным непрерывным потоком байтов , причем в начале каждого ц икла измерений восемь байт - идентификат о р контроллера , и восемь зарезервированных байт - “пароль”. Компьютер диспетчерского пункта организует поочередный пунктов учета тепловой энергии , подключенных к телемеханической системе . В течение нескольких секунд компьютер осуществляет обмен информацией только с одной (в ыбранной им ) станцией . В виду того , что диспетчерский пункт объединен с контролируемым пунктом , устанавливается еще устройство ввода информации в компьютер , так как здесь телемеханическая информация не будет передават ься по линии связи . К о мпьютер обрабатывает принятую и выдает полученную инф ормацию на экран монитора . Кроме того , в памяти компьютера содержится вся информация о работе подключенных к системе , насосных станций в течение 24 часов. 2.2. Разработка технич еской структуры периферийного устройства Система для телемеханизации тепловых насо сных станций представляет собой комплекс , сос тоящий из трех частей : аппаратных средств (датчики , радиостанции , преобразователи и т . д .), программног о обеспечения для компьютера и контроллеров , математического обеспечения , содержащего правила и формулы преобразования информации . Рассмотрим подробнее на аппаратных средствах. 2.2.1. Датчики Датчики - эт о устройства , предназначенн ые для непрерывного преобразования измеряемых параметров в электрические сигналы , которые могут быть использованы в системе для дальнейшего преобразования и передачи на расс тояние . Кроме того , под датчиками будем по нимать элемен т ы приборов и технол огического оборудования , с помощью которых мо жет быть сформирован электрический сигнал , со держащий информацию о предаварийном или авари йном значении контролируемого параметра или к акую-либо другую информацию . При выборе датчик ов учитыва ю тся следующие факторы : – допустимую для данной с истемы погрешность , определяющую класс точности датчика ; – инерционность датчика , характеризуемая его постоянной времени ; – пределы измерения , перекрывающие диапа зон возможных значений измеряемого или контро л ируемого параметра ; – влияние физических параметров контроли руемой и окружающей среды на нормальную р аботу датчика ; – расстояние , на которое может быть передана информация , вырабатываемая датчиком. На пунктах учета тепловой энергии дат чики располагаются в зависимости от осо бенностей технологического оборудования того или иного пункта . Датчики можно сгруппировать по виду измеряемых параметров. 2.2.1.1. Датчики измерения температуры Температура - наиболее ва жный показате ль тепловой насосной станции . В соответствии с техническим заданием система должна об еспечивать измерение температуры теплоносителя в подающем трубопроводе , а также в обратном трубопроводе . Кроме того , контроль перегрева подшипников насосов и электродвигате лей также целесообразно осуществлять путем из мерения температуры. Наиболее распространены термопары , термопреоб разователи сопротивления , полупроводниковые терморези сторы , кремниевые (в том числе и интеграль ные ) термодатчики . Для измерения тем перату ры теплоносителя целесообразно применить термопр еобразователи сопротивления медные типа ТСМ -6097. Также может быть применен малогабаритный , ма лоинерционный терморезистор СТЗ -25, СТ -28, ТП -5, ПТР . Так как предполагается , что в насосной станции не буд е т обслуживающего персонала , то в целях повышения надежности аппаратно-программного комплекса целесообразен п остоянный контроль температуры воздуха в насо сной . Для этого может быть выбран термомет р сопротивления медный типа ТСМ -8006. Терморезистор сопротивл ения обладает следующими преимуществами : обеспечивает приемлемую линейность , точность измерения до 0.1° С , диапазон измерений от - 200° С до + 600° С , коэффициент преобразования Кпр =0.1...10 мс . Однако термометры сопротивления требуют многих элемен тов соп р яжения , высококачественную ли нию связи . Кроме того , они имеют значитель ные габариты , массу , инерционность . При примене нии любого термодатчика необходимо в комплект е с ним применять промежуточный преобразовате ль , предназначенный для преобразования сигнала т ермодатчика в унифицированный сигнал постоянного тока 0-5 мА или напряжение 10В . Принцип действия преобразователя основан на статической автокомпенсации . Сигнал от термомет ра поступает на измерительный мост и дале е на входной усилитель , выполненный по схе м е модулятор-демодулятор . Демодулированный сигнал усиливается выходным усилителем посто янного тока , выходной сигнал которого поступа ет на нагрузку и устройство обратной связ и . Входные и выходные цепи не имеют га льванической связи с цепями питания и меж ду с о бой. Все типы преобразователей являются однока нальными , то есть для каждого термометра д олжен использоваться свой преобразователь . Лучшие характеристики имеет преобразователь типа Ш 705: основная погрешность - 0.5-1.12%, сопротивление линий связи с термопре образователем - 10 Ом , потр ебляемая мощность - 11В , быстродействие -0.5 с , габар итные размеры - 60*160*350, масса - 3.5 кг . Следовательно , ег о применение в телемеханической системе наибо лее эффективно. 2.2.1.2. Датчики для измерен ия давления Давление - параметр , который характеризует протекание процессов на ТНС . При выборе датчиков давления руководствуются требованием преобразования величины давления в унифицированн ый выходной сигнал . Существует несколько различных типов датчиков : – датчики давления с мембранами (прог ибы мембраны преобразуются в изменения сопрот ивления резистора или в изменение индуктивнос ти обмоток выходного преобразователя ); – датчики давления с мембранами и пьезоэлементами (возникновени е электрических зарядов на рабочих гранях пьезоэлемента пр и приложении к нему давления ); – датчики давления с мембранами и тензометрическими преобразователями (давление , прил оженное к мембране , преобразуется в изменение сопротивления тензоэлемента ); – емко стные датчики давления (дав ление , приложенное к мембране , преобразуется в изменение сопротивления тензоэлемента ); – датчики давления с манометрическими трубчатыми пружинами . Сравнительный анализ датч иков давления с различными принципами действи я показал , ч то наиболее целесообразно в телемеханической системе применить датчики давления типа Сапфир -22ДИ , принцип действия которого основан на прогибе металлической мембраны (чувствительный элемент ), который сначала преобразуется в изменение сопротивления поте нци о метра , а затем последнее - в ток на выходе датчика. 2.2.1.3. Датчик пожарной сигнализации В настоящее время используются системы автоматического обнаружения пожара по трем факторам : теплу , дыму , пламени. Наиболее распространены тепловые пожарные извещатели следующих типов : – максимального действия , срабатывающие при превышении температурой расчетной величины ; – максимально-дифференциальные , объединяющие свойства извещателей максимального и дифференциа льно го типов ; – дифференциальные , реагирующие на быстр ое повышение температуры . Все существующие тепловые извещатели обна руживают пожар , когда он достигает значительн ых размеров . Время обнаружения пожара позволя ет снизить использование пожарных извещателей , ф ормирующих сигнал пожарной тревоги пр и появлении пульсации температуры конвективного потока над очагом пожара . Такой извещател ь отвечает следующим требованиям : реагирует н а переменную составляющую колебаний температуры в определенном частотном диапазоне , н е выдает сигналов тревоги при воздейс твии мешающих факторов , создаваемых работой о борудования . Для повышения надежности системы пожарной сигнализации в телемеханической системе установлены дополнительные датчики дыма. 2.2.1.4. Дат чики охранной сигна лизации Должны обеспечивать неприкосновенность пун кта учета тепловой энергии . Возможно применен ие следующих систем охраны : шлейфового типа , на базе инфракрасных световых передатчиков и приемников , на базе радио волн , на базе ультразвука . Наиболее простая и деше вая система шлейфового типа . В ней использ уются замыкающие или размыкающиеся электрические контакты , то есть электрическая цепь замы кается или размыкается механическим способом . Шлейф образуется из полосок свинцовой фольги , наклеиваемой по периметру замкнутого пространства , в котором находится пункт у чета тепловой энергии . Шлейф соединяется с преобразователем охранной сигнализации . При обр ыве шлейфа на выходе преобразователя охранной сигнализации появляется сигнал трево ги , поступающий в передающую аппаратуру ТМС для передачи сигнала на диспетчерский пунк т . В состав системы охранной сигнализации введен выключатель входа-выхода , приводящий к задержке на несколько секунд в действии с истемы и позволяющий входить и вых одить из охраняемого объекта , не вызывая с игнала тревоги . Сигнал тревоги , поступивший на диспетчерский пункт с охраняемого объекта , может отменить только прибывший на теплову ю насосную станцию обслуживающий персонал. 2.2.1.5. Датчики для сигнализац ии затопления приямка сетевых труб Возможно применение двух вариантов датчик ов : поплавкового и реле уровня . В настояще е время существуют поплавковые датчики заводс кого изготовления , например , датчик уровня РО -1. Возможна настройка на четыре значения уровня воды . Реле уровня основано на замыкании контакта при соприкосновении с жидк остью . Существуют следующие видов таких реле : РОС -101-011, РОС -101011И , РОС -101021, РМ -51. Для контроля за данным параметром эфф ект ивным будет использование датчика с контактными электродами (реле уровня ), так к ак он прост , дешев и надежен. 2.2.2. Линии связи Для передачи телемеханических сигналов ка ждый комплект телемеханической апп аратуры пункта учета тепловой энергии должен соеди няться с аппаратурой ДП линией связи того или иного вида . В состав канала связи входят кодирующая и декодирующая аппаратура , формирователь канальных сигналов , модулятор и демодулятор , а также линия связи . Т акое обобщенное представление тракта пере дачи информации позволяет рассматривать различны е модели каналов связи с учетом действующ их помех , представлять свойства или характери стики каналов определенными функциональными зави симостями , которые учитывают инф о рмац ионные соотношения между входным и выходным множествами сигналов. Линии связи являются основным , наиболее характерным и определяющим звеном системы передачи информации . От ее состояния , прежде всего , зависит надежность действия всей ТМС в целом . Свойст ва , параметры и хар актеристики линии связи , а также их стабил ьность во времени и при изменении внешних условий определяют энергетические требования , предъявляемые к сигналу , оказывают влияние на его формирование и на используемые мет оды передачи , на принц и пы построен ия схемных решений приемопередающей аппаратуры. Все линии связи можно разделить на два больших класса : проводные и беспроводны е . Проводные линии по исполнению подразделяют на воздушные и кабельные . Для кабельных линий связи применяют специальной конс трукции систему металлических проводов - кабель , в которую входят кроме различного числа пар проводов с соответствующими скрутками их в четверки и объединением в повивы , дополнительные средства повышения механической и электрической прочности : специа л ь ная изоляция , экраны , различные покрытия . Для проводных линий свойственен электрический проц есс (движение свободных электронов ), который ис пользуется в качестве переносчика . Сооружение проводных линий требует затрат , превосходящих в большинстве случаев з а траты на аппаратуру телемеханики. Беспроводные линии связи , как естественно существующие физические среды , подразделяют на радио и гидравлические линии . Радиолинией , для которой характерен процесс распростране ния электромагнитных волн , принято называть о ко лоземное и космическое пространство . Ре ально используемый диапазон частот для излуче ния электромагнитной энергии определяется частот ами 3*10 -3*10 Гц . В последние годы были созданы генераторы оптического излучения - лазеры , возбу ждающие электромагнитные к о лебания с частотами от 3*10- 3*10 Гц . Существующая специфика излучения в этом диапазоне обусловила его выделение в так называемую оптическую ли нию связи . В настоящее время широко распро странены следующие виды линий связи : – воздушные или кабельные проводны е линии ; – радиолинии ; – линии энергоснабжения , используемые дл я организации каналов связи телемеханической системы ; – каналы связи , организуемые на линия х городской телефонной сети (ГТС ); – оптические линии связи. Общим требованием , предъявляемым к канала м связи , является обеспечение максимально й скорости передачи сообщений при минимальных искажениях , вызываемых неисправностями аппаратур ы и действием помех [5] . Рассмотрим линии связи относительно их применения в проектируемой телемеханической си стеме. Пров одные линии связи . Сооружение воздушных проводных линий связи в условиях крупного города практически осуществить невозм ожно . Прокладка кабельных линий связи потребу ет многочисленных согласовании с владельцами многочисленных коммуникаций города . При эксплу а тации проводных линий связи высо ка вероятность их повреждения . Кроме того , стоимость как воздушной , так и кабельной линии связи , при современных ценах на мате риалы и строительно-монтажные работы , была бы чрезмерно высокой . Поэтому , даже учитывая то , что в о здушные и кабельные линии отвечают критерию эффективности , их исп ользование в существующих условиях нецелесообраз но. Радиолинии . В настоящее время радиолинии - один из распространенных видов связи , ис пользуемый для передачи сигналов различного н азначения и характера . Характеристики радиол инии , в первую очередь , определяются значениям и частот (длинами волн ), выбранными для орг анизации радиоканалов . Наиболее важное значение имеют локальность связи , надежность передачи сигналов , помехоустойчивость . Локальност ь связи заключается в том , чтобы сист ема , работающая на данной радиолинии , не о казывала влияния на все посторонние приемники , а передатчики этих посторонних систем не должны влиять на приемники данной систем ы . Этим требованиям лучше всего удовлетворяет уль т развуковой диапазон (УКВ ). К этому диапазону относят электромагнитные волны , длина которых меньше 10 метров . Применение УКВ для целей связи объясняется следующими факторами : 1) диапазон УКВ очень широк . В этом диапазоне , не учитывая миллиметровых волн , м ож но без взаимных помех разместить бо лее 10000 систем по 600 каналов в каждой ; 2) связь на УКВ отличается высокой ус тойчивостью и надежностью , а также отсутствие м атмосферных и промышленных помех ; 3) мощность передатчиков УКВ может быть небольшой , так как ан тенные устройств а этого диапазона имеют сравнительно небольши е размеры и выполняются остронаправленными. Линии электроснабжения , используемые для организации каналов связи ТМС . Высоковольтные линии электропередач (ЛЭП ) и распределительные электрические сет и (РЭС ) используются в некоторых ТМС в качестве линий связи . В этом случае передача телемеханической ин формации осуществляется высокочастотными сигналами , то есть на ЛЭП и РЭС организуется высокочастотный канал связи (на частотах тыся ч и десятков тысяч Гц ) . Применени е высокочастотных каналов телемеханики на ЛЭП и РЭС дает большой экономический эффект , так как отпадает необходимость в сооруже нии собственной линии связи. Путем применения высокочастотных перемычек , обеспечивающих обход силовых трансформаторов, в одной системе могут использоваться одновременно как ЛЭП , так и РЭС . Такие линии , построенные в соответствии с требова ниями к подобным сооружениям , имеют высокую электрическую и механическую прочность , что обуславливает надежность тракта передачи телем е х анических сигналов . Для организации высокочастотной линии связи на ЛЭП и РЭС используется дорогостоящий набор техническ их средств : аппаратура присоединения , высокочастот ные заградители , высокочастотные перемычки - для обхода силовых трансформаторов. Структ ура ЛЭП и РЭС Солнечного и Приволжского микрорайонов характеризуется вы сокой разветвленностью и многочисленными потреби телями , что привело бы к необходимости при менения большого числа технических средств ор ганизации высокочастотной линии связи , а , след ова т ельно , к высокой стоимости соо ружения и эксплуатации этих линий . Следует отметить , что обслуживание канала связи усл ожняется высокими напряжениями ЛЭП и РЭС . На основании этого можно сделать вывод о нерациональности использования таких линий с вязи в данно й телемеханической сист еме. Каналы связи , организуемые на линиях г ородской телефонной сети . Возможны два способ а организации каналов связи на линиях ГТС . Первый способ заключается в использовании в системе некоммутируемых телефонных пар в телефонных кабелях , то есть пар , на длительное время закрепленных за телемеханич еской системой . Второй способ основан на с оединении коммутируемых линий , то есть соедин ения двух абонентов происходит как при об ычном наборе телефонного номера. Проанализируем оба способа : 1) ис пользование некоммутируемых пар в телефонных кабелях . В этом случае пары жил постоянно соединяют контролируемую тепло вую насосную станцию с диспетчерским пунктом . В том случае , если КП и ДП могут быть подключены друг к другу через о дну или несколько АТС , т о на этих АТС должны быть установлены постоянные перемычки , соединяющие соответствующие жилы между собой . Выделенные пары проводов в ка белях ГТС используют только в телемеханике тепловых сетей . Использование проводов кабелей ГТС является эффективным спосо б о м организации канала связи для данной ТМС по следующим причинам : исключается необходим ость в капитальных затратах на сооружение или организацию линий связи , а также сн имается вопрос о поддержании линии связи в работоспособном состоянии ; 2) использование к оммутируемых пар . В этом случае дополнительные пары не требу ются , и система телемеханики использует те телефонные пары , которые введены в ТНС для телефонной связи . В этом случае телеме ханическая аппаратура насосной станции для пе редачи информации на ДП че р ез ГТС организует соединение двух пунктов : ДП и КП . Если соединение состоялось , то т елемеханическая информация передается . Достоинство : нет необходимости в дополнительно постоянно выделенных коммутируемых парах . Недостаток : пер едача информации полностью з а висит от быстроты соединения двух пунктов . В принципе , применение коммутируемых пар возможно. Оптические линии связи . В этом случае передача информации осуществляется световым лучом . Может использоваться передающая среда двух видов : атмосфера или оптоволок онный кабель . Для оптических линий , использующих атмосферу , характерны : – высокая стоимость аппаратуры для о рганизации канала ; – значительные эксплуатационные расходы ; – зависимость характер истик оптического канала от ряда случайных факторов. Использование оптоволоконного кабеля со пряжено с большими затратами на его приоб ретение , трудностями с прокладкой в условиях крупного города , стоимостью приемопередающей аппаратуры , высокой вероятностью повреждения кабе ля . Использование оптической линии связи в проект и руемой ТМС не рационально. В данной ТМС применены радиолинии в диапазоне УКВ частот . Так как расстояние между КП и ДП небольшие , то предполагае тся применить радиостанцию , обеспечивающую дально сть передачи сигналов до 15 километров . Этому требованию удовлет воряет радиостанция “Лен ” , изготавливаемая в Белоруссии . Ее дальность передачи составляет 10 километров. 2.2.3. Модем Модем предназначен для преобразования пос ледовательного цифрового кода в частотно-мани пулированный сигнал (и обратно ), пригодный для передачи по физическому каналу на значительное расстояние . Модем работает над преобразованием последовательного цифрового кода в частотно-манипулированный сигнал или часто тно-манипулированного сигнала в после д овательный цифровой код в зависимости от того , в какую сторону идут данные . Если данные приходят в модем из физиче ской линии , то идет процесс преобразования частотно-манипулированного сигнала в последователь ный цифровой код , т.е . демодуляция . Если мод ем с а м передает данные в лини ю , то идет процесс преобразования последовате льного цифрового кода в частотно-манипулированный сигнал , т.е . модуляция. Модемы подразделяются по скорости модуляц ии-демодуляции . Современные модемы способны переда вать и принимать данны е со скоростью 56,6 Кб /сек [6] . В данном проекте такая высокая скорос ть не нужна , т.к . передается относительно м алый объем информации , к тому же стоимость высокоскоростных модемов велика , поэтому исп ользуется модем со скоростью обмена данными 2400 байт /сек. 2.3. Структурные решения по прог раммному обеспечению периферийного устройства Периферийное устройство (контроллер ) содержит в себе однокристальную ЭВМ , которая имеет свой внутренний язык ассемблер . На э том языке реализовано программное обеспеч ение для контроллера . Это программное обеспеч ение позволяет по сигналу из диспетчерского пункта считывать данные с тепловычислителя и направлять их на модем , который ген ерирует импульсы и посылает их на радиост анци ю . В случае пожара , взлома ил и затопления пункта учета тепловой энергии , контроллер получает соответствующий сигнал и производит соединение с диспетчерским пункто м , и сообщает об аварии. На диспетчерском пункте находится компьют ер , через который производитс я слежение за параметрами на пунктах учета тепловой энергии . На компьютере есть программа напис анная на языке высокого уровня , которая об еспечивает оператору интерактивный интерфейс с периферийным устройством и позволяет посылать контроллеру различные ком а нды . Пр ограмма содержит в себе математический аппара т для расчета , учета , архивирования и хран ения необходимых параметров. 3. Разработка периферийного устройства 3.1. Выбор элементной базы В настоящее вре мя стремительно ра звивается микроэлектроника и микропроцессорные с истемы . В этих областях , как ни в каких других , находят свое широкое применение в ысокие технологии , быстрее всего внедряются н овые технические решения , новые технологии , ра стет мощность выч и слительных элементо в с одновременным уменьшением их размеров . Для данного проекта было выбрано одно из таких решений - микроконтроллер AT90S1200 , фирмы Atmel. Ниж е я постараюсь привести доказательства правил ьности своего выбора. Логотип фирмы Atmel в насто ящее время уже достаточно хорошо известен российским техничес ким специалистам в области микроэлектроники . Основанная в 1984 году , фирма Atmel Corp., США , определила сферы приложений для своей продукции как телекоммуникации и сети , вычислительную техн ику и компьютеры , встраиваемые системы контроля и управления , бытовую технику и автомобилестроение . Atmel сегодня - это прогрессивная компания , выпускающая сложные изделия соврем енной микроэлектроники ; это один из признанны х мировых лидеров в производстве широк о го спектра устройств энергонезависим ой памяти высокого быстродействия и минимальн ого удельного энергопотребления , микроконтроллеров общего назначения и микросхем программируемой логики от простейших устройств PAL и GAL до микросхем СБИС CPLD и FPGA. Доста т очно сказать , что практически все базовые кристалл ы промышленного стандарта MCS51 фирмы Intel успешно за менены прямыми аналогами семейства AT89 фирмы Atmel. Э ти скоростные , полностью статические 8-разрядные КМОП микроконтроллеры с многократно модифициру ем о й Flash-памятью программ , низким эн ергопотреблением и широким диапазоном допустимых напряжений питания , аппаратно и программно совместимы с соответствующими микроконтроллерами Intel и пользуются заслуженной популярностью у разработчиков и производителей э л е ктронной аппаратуры. Однако , хочется подробнее познакомиться с еще одним крайне интересным направлением современной микроэлектроники , активно развиваемым фирмой Atmel. Это новое семейство высокопроизводи тельных 8-разрядных RISC (Reduced Instruction Set Co mputers) микроконтроллеров общего назначения , объединенных общей маркой AVR [7] . Замысел создания AVR родился в исследователь ском центре Atmel в Норвегии . Группа разработчиков (инициалы некоторых из них , кстати , и сформировали марку "AVR": Alf Bogen / Vergard Wollan / Risc architecture) предложила ряд идей , которые легли в основу концепции AVR - микроконтроллеров : 1) использовать новейшую , наиболее скоростную и экономичную КМОП технологию фирмы Atmel в сочетании с RISC архитектурой для разработ ки и производства быстрых 8- разрядных микрокон троллеров , сравнимых с 16-разрядными микропроцессор ами и микроконтроллерами по производительности и превосходящих микросхемы стандартной КМОП логики по скорости . Ожидаемая производительност ь - до 20 MIPS на частоте 20 МГц , что всего на 30% меньше , чем у Intel KU80386EXTC-25 при операция х типа "регистр - регистр ". Время выполнения короткой команды на такой тактовой частоте составляет 50 нс ; 2) разрабатывать архитектуру и систему ко манд AVR в тесней шем согласии с принципа ми языка Си так , чтобы аппаратная часть нового микроконтроллера и его система кома нд были неотъемлемыми частями одного целого и использовались с максимальным к.п.д . Хор ошо известно , что в 1990-е годы языки прог раммирования высокого у ровня стали стандартным инструментом при создании программно го обеспечения для встраиваемых микроконтроллеро в . Существенно сокращается время разработки п роектов и , соответственно , снижается их стоимо сть , а также облегчается создание универсальн ых средств п оддержки разработок . Нед алеким от истины будет и утверждение , что язык Си является наиболее популярным и эффективным средством для программирования мик роконтроллеров . Система команд AVR разрабатывалась п ри непосредственном участии экспертов по язык у Си и у читывает все основные особенности стандарта ANSI C. Результат налицо : компи ляция исходных текстов , написанных на Си , осуществляется быстро и дает компактный , эффе ктивный код . Конечно , можно работать и на Ассемблере для еще большего выигрыша в плотности уп а ковки конечного прогр аммного кода , но теперь у разработчика ест ь разумная альтернатива ; 3) функционально расширить микроконтроллер в озможностью программирования в системе (ISP) путем объединения Flash-технологии фирмы Atmel со стандартным скоростным посл едовательным интерфейсом (SPI). Это позволяет многократно модифицировать прогр амму не только с помощью обычного програм матора , но и непосредственно в системе , в конечном устройстве пользователя . При этом не требуется вводить никаких дополнительных аппарат н ых узлов и вспомогательных источников питания . Результатом явилось появление нового , оче нь дешевого , скоростного , легкого в освоении и использовании семейства AT90S 8-разрядных микрокон троллеров марки AVR. Они представляют собой мощн ый инструмент , базу дл я создания совре менных высокопроизводительных и экономичных конт роллеров многоцелевого назначения . Так , например , AVR используются в изделиях класса Smart Card для пер сональных компьютеров , в спутниковых навигационны х системах для определения местоположен и я автомобилей на трассе , в миниатюрных автомобильных пультах дистанционного управления , в сетевых картах и на материнских пл атах компьютеров , в сотовых телефонах нового поколения и т.д. Что же представляет собой микроконтроллер AT90S1200? Как он устроен и какова его архитектура ? Начнем знакомство с аппаратных в озможностей : – диапазон напряжений питания , В - 2,7 - 6,0; – тактовая частота , МГц - 0-16; – количество линий ввода /вывода (max) - 15; – количество инструкций - 89; – объем Flash ROM, байт - 1К ; – объ ем EEPROM, байт - 64; – количество таймеров /счетчиков - 1; – аналоговый компаратор - есть ; – SPI (загрузка ROM и EEPROM) - есть ; – сторожевой таймер - есть ; – количество битов защиты - 2; – число режимов энергосбережения - 2; – число источников прерывания : вн утренних /внешних - 2/1; – тип корпуса - DIP28, SOIC28, SSOP28. AT90S1200 имеют Flash-память программ ROM объемом 1K, ко торая может быть загружена как с помощью обычного программатора , так и посредством SPI интерфейса . Число циклов перезаписи ROM - не м е нее 1000. Два программируемых бита секретнос ти позволяют защитить память программ от несанкционированного считывания . AT90S1200 имеют также бл ок энергонезависимой электрически стираемой памя ти данных EEPROM объемом 64 байта . Этот тип памят и , доступный про г рамме микроконтролле ра непосредственно в ходе ее выполнения , у добен для хранения промежуточных данных , разл ичных констант , таблиц перекодировок , калибровочны х коэффициентов и т.п . EEPROM может быть загруже на извне как через SPI интерфейс , так и с помощью о бычного программатора . Чис ло циклов перезаписи - не менее 100000. Перечислим периферийные устройства AVR: – таймер /счетчик , разрядность 8 бит ; – скоростной последовательный интерфейс SPI; – встроенная система сброса микроконтрол лера ; – асинхронный дуплекс ный последовате льный порт UART; – контроллер прерываний ; – внутренний тактовый генератор ; – сторожевой (WATCHDOG) таймер. Внутренний тактовый генератор может запус каться от внешнего источника опорной частоты , от внешнего кварцевого резонатора или от внутре нней RC-цепочки . Поскольку все AVR п олностью статические , минимальная допустимая част ота ничем не ограничена (вплоть до пошагов ого режима ). Максимальная рабочая частота опре деляется конкретным типом микроконтроллера . Огран ичения верхней границы частотного диа пазона связаны с технологическими проблемами при производстве микросхем и будут устранены в последующих версиях кристаллов . В насто ящее время контроллер AT90S1200 версии "F" может работа ть на частоте 16 МГц при комнатной температ уре , а ограничение 12 М Г ц действует во всем температурном диапазоне [7] . Если времязадающим элементом для тактовог о генератора AVR является внутренняя RC-цепочка , то частота , на которой работает микроконтроллер , фиксирована и составляет 1 МГц . Это значен ие приближенное и изменяет ся в зависи мости от величины напряжения питания и те мпературы корпуса . Выбор источника тактовой ч астоты (внутренний /внешний ) программируется , правда только с помощью внешнего программатора . Как правило , AVR поставляются с фабрики уже " испеченными " для раб о ты от внешнег о источника опорной частоты , но можно зака зать и другие . При этом в аббревиатуре микроконтроллера появляется литера "A", указывающая на то , что тактовый генератор данного к ристалла функционирует от встроенной RC-цепочки , например , AT90S1200A- 1 2PC. Запрограммировать микрок онтроллер AT90S1200 на работу от внутреннего RC-генера тора через последовательный порт SPI невозможно . Сторожевой таймер предназначен для защиты микроконтроллера от сбоев в процессе раб оты . Он имеет свой собственный RC-генерат ор , работающий на частоте 1 МГц . Как и для основного внутреннего RC-генератора , зн ачение 1 МГц является приближенным и зависит прежде всего от величины напряжения питани я микроконтроллера и от температуры. Порты ввода /вывода AVR имеют число незав исимых лин ий "Вход /Выход " от 5 до 32. К аждый разряд любого порта может быть запр ограммирован на ввод или на вывод информа ции . Мощные выходные драйверы обеспечивают ти повую токовую нагрузочную способность 20 мА на линию порта (втекающий ток ) при максималь ном значени и 40 мА , что позволяет , например , непосредственно подключать к микроконтр оллеру светодиоды и биполярные транзисторы . О бщая токовая нагрузка на все линии одного порта не должна превышать 80 мА . Все зн ачения приведены для напряжения питания 5В. AVR работают в широком диапазоне пит ающих напряжений от 2,7 В до 6,0 В . Ток потр ебления в активном режиме зависит от вели чины напряжения питания и частоты , на кото рой работает микроконтроллер , и составляет ме нее 1 мА для 500 кГц , 5...6 мА для 5МГц и 8...9 мА для частот ы 12 МГц . AVR также могу т быть переведены программным путем в оди н из двух режимов пониженного энергопотреблен ия . Первый - режим холостого хода (IDLE), когда п рекращает работу только процессор и фиксирует ся содержимое памяти данных , а внутренний генератор с инхросигналов , таймеры , систе ма прерываний и сторожевой таймер продолжают функционировать . Ток потребления здесь не превышает 2,5 мА на частоте 12 МГц . Второй - р ежим микропотребления (SLEEP), когда сохраняется содерж имое регистрового файла , но останавлив а ется внутренний генератор синхросигналов . Выход из режима SLEEP возможен либо по сигнал у сброса , либо от внешнего источника преры вания . При включенном сторожевом таймере ток потребления в этом режиме составляет око ло 80 мкА , а при выключенном - менее 1мкА. (Все вышеприведенные значения справедливы для напряжения питания 5 В ). Температурные диапазоны работы микроконтролл еров AVR - коммерческий (0...70С ) и индустриальный (-40...+85С ). С точки зрения программиста AVR представляет собой 8-разрядный RISC микроко нтроллер , имеющи й быстрый Гарвардский процессор , память прогр амм , память данных , порты ввода /вывода и интерфейсные схемы. Гарвардская архитектура AVR реализует полное логическое и физическое разделение не толь ко адресных пространств , но и информационных ши н для обращения к памяти прогр амм и к памяти данных . Способы адресации и доступа к ним также различны . Такое построение уже ближе к структуре скорост ных цифровых сигнальных процессоров и обеспеч ивает существенное повышение производительности за счет : а ) од новременной работы центрального процессора как с памятью программ , так и с памятью данных ; б ) расширения до 16 бит разрядной сетки шины данных памяти программ . Следующим ша гом на пути увеличения быстродействия AVR являет ся использование технологии конвейер изации , вследствие чего цикл "выборка - исполнение " к оманды может быть заметно сокращен , повышая тем самым производительность процессора . Наприм ер , у микроконтроллеров семейства MCS51 короткая к оманда выполняется за 12 тактов генератора (1 маш инный цикл ), в течение которого п роцессор последовательно считывает код операции и исполняет ее . В PIC-контроллерах фирмы Microchip уже реализована конвейерная обработка . Корот кая команда выполняется у них в течение 8 периодов тактовой частоты (2 машинных цикла ). За э т о время последовательно деш ифрируется и считывается код операции , исполн яется команда , фиксируется результат и одновр еменно считывается код следующей операции (ко нвейер ). Поэтому одна короткая команда в о бщем потоке реализуется за 4 периода тактовой часто т ы или за один машинный цикл . В микроконтроллерах AVR тоже используется одноуровневый конвейер при обращении к п амяти программ и короткая команда в общем потоке выполняется , как и в PIC-контроллерах , за один машинный цикл . Главное же отл ичие состоит в том, что этот ци кл у AVR длится всего один период тактовой частоты по сравнению с четырьмя у PIC. Следующая отличительная черта архитектуры микроконтроллеров AVR -регистровый файл быстрого д оступа . Каждый из 32-х регистров общего назн ачения длиной 1 байт непоср едственно соеди нен с арифметико-логическим устройством (ALU) процессо ра . Это означает , что в AVR существует 32 регист ра-аккумулятора . Это позволяет в сочетании с конвейерной обработкой выполнять одну операцию в ALU за один машинный цикл . Например , дв а опе р анда извлекаются из регистр ового файла , выполняется команда и результат записывается обратно в регистровый файл в течение только одного машинного цикла ! Шесть из 32-х регистров файла могут использоваться как три 16-разрядных указателя а дреса при косвенной адресации данных . Од ин из этих указателей применяется также д ля доступа к таблицам перекодировок , записанн ых в памяти программ микроконтроллера . Исполь зование трех 16-битных указателей существенно п овышает скорость пересылки данных при работе прикладной п рограммы . Во время переходов к выполнению проце дур обработки прерываний или подпрограмм теку щее состояние программного счетчика сохраняется в стеке . Только у AT90S1200 стек реализован аппаратно с глубиной вложений , равной 3. Во всех остальных типах AVR ми кроконтроллеров с тек формируется программно и располагается в общем адресном пространстве оперативной памя ти данных . 16-разрядный указатель стека находитс я в общем адресном пространстве оперативной памяти и доступен для чтения и запис и . Система команд AVR весьма развита и насчитывает 89 различных инструкций . Почти все команды имеют фиксированную длину в одно слово (16 бит ), что позволяет в большинстве случаев объединять в одной команде и код операции , и операнд (ы ). Различают пят ь групп команд AVR: условно г о ветвлен ия , безусловного ветвления , арифметические и л огические операции , команды пересылки данных , команды работы с битами . По разнообразию и количеству реализованных инструкций AVR больше похожи на CISC, чем на RISC процессоры . Например , у PIC-контролл е ров система команд нас читывает от 33 до 58 различных инструкций , а у MCS51 она составляет 111. В целом , архитектура AVR в сочетании с регистровым файлом и расширенной системой команд позволяет в короткие сроки создавать программы с очень эффективным кодом как по скорости его выполнения , так и по компактности. Наше краткое знакомство с новым микро контроллерным семейством было бы неполным , ес ли не упомянуть о имеющихся средствах под держки разработок для AVR. Программные и аппарат ные средства для новой платфо рмы разр абатывались параллельно с самими микроконтроллер ами и включают в себя компиляторы , внутрис хемные эмуляторы , отладчики , программаторы , простей шие отладочные платы-конструкторы практически на любой вкус. Подводя итог всему вышесказанному , хочетс я вер ить , что я как разработчик пр ивел убедительные доводы в пользу выбранной мной элементной базы . Многие отечественные специалисты уже по достоинству оценили выс окую скорость работы и мощную систему ком анд AVR, наличие двух типов энергонезависимой па мяти на о дном кристалле и разви вающуюся периферию . Немаловажную роль в этом сыграла и открытая политика Atmel в вопросе развития разнообразных , доступных средств по ддержки разработок . Это позволяет разработчикам и производителям электронной техники надеяться на со х ранение полноценной поддер жки для перспективной линии AVR и в будущем , закладывая микроконтроллеры семейства AT90S в св ои новые изделия . В сочетании со всеми аппаратными и программными достоинствами низка я цена на микроконтроллер явилась решающим фактором в выборе оного. 3.2. Разработка принципиальной схемы контроллера Плата контроллера состоит из 2 разъемов , 5 микросхем MAX 232 ( DD 1.. DD 5) - микросхем преобр азования сигналов ТТЛ уровня в сигналы ур овня интерфейса RS-232 и наоборот и микроконтроллера AT90S1200 ( DD 6). Сигналы с модема поступают на разъем Х 1 контроллера . После этого они поступают на одну из микросхем преобразования сигн алов ТТЛ уровня в сигналы уровня интерфей са RS-232 , а потом на микроконтроллер DD 6, где проходят дал ьнейшую обработку . В зависимости от то го какая команда придет в микроконтроллер DD 6, может быть произведена либо запись , либо чтение по заданному адресу . Тоже самое происходит и со стороны тепловычислителя : микроконтролл ер обменивается командами с тепловыч ислит елем через одну из микросхем DD 4.. DD 5, т.к . тепловычи слитель сопрягается с другими устройствами по интерфейсу RS-232 , а микроконтроллер работает с сигналами ТТЛ уровня. К микроконтроллеру также приходят сигналы от датчиков пожара , затопления и от о хра нного датчика . По сигналам от этих датчиков происходит автоматический дозвон до диспетчерского пункта и выдается соответству ющее сообщение на дисплей диспетчеру , который должен предпринять меры по устранению пр ичин , вызвавших этот сигнал. 3.3. Проектирование печатной платы контроллера 3.3.1. Определение общих требований к печатной плате По конструкции печатные платы (ПП ) дел ятся на следующие типы : односторонние (ОПП ), двусторонние (ДПП ) и многослойные (МПП ). П ри выборе типа ПП для разрабатываемой кон струкции следует учитывать технико-экономические показатели. ОПП представляют собой диэлектрическое ос нование с отверстиями , пазами , вырезами и т . п ., на одной стороне которого выполнен проводящий рисунок , а на другой при сборке размещают интегральные микросхемы (ИМС ) и электрорадиоэлементы (ЭР-Э ). В связи с ограниченной площадью для трассировки рисунка схемы такие ПП применя ют для простых электронных устройств бытового и вспомогательного назначения . Наиболее про сты по конструкции и дешевы в изг отовлении ОПП без металлизированных отверстий . Более сложны , но и более надежны в эксплуатации платы с металлизированными с пом ощью пистонов отверстиями. ДПП имеют проводящий рисунок на обеих сторонах диэлектрического основ ания . Нео бходимые соединения печатных проводников разных сторон ДПП выполняют с помощью проволочн ых перемычек , металлизированных отверстий , контакт ных площадок . Такие платы позволяют реализова ть более сложные схемы и имеют наиболее широкое применение при и зготовлении узлов электронных схем . Менее распространенн ые ДПП на металлическом основании с нанес енным на него электроизоляционным покрытием и меют лучший теплоотвод , что существенно при большой мощности навесных элементов. МПП состоят из чередующихся слоев изоляционного материала и проводящего рисунка . Между проводящими слоями в структуре пла т могут быть или отсутствовать межслойные соединения . Существует достаточно большое разно образие конструктивно-технологических разновидностей МПП в зависимости от нали ч ия и характера межслойных соединений . Наибольшее распространение среди них получили МПП с металлизацией сквозных отверстий , которые не имеют ограничения на число слоев (оптимальное число до 12) и пригодны для установки э лементов как со штыревыми , так и с п ланарными выводами . Предпочтительность использования МПП этого типа обусловлена с равнительно высокой плотностью монтажа , хорошим качеством межслойных соединений , удовлетворительно й ремонтоспособностью , возможностью автоматизации и механизации как процессо в изгот овления самих плат , так и сборки на ни х узлов. В зависимости от сложности реализуемой электрической схемы и применяемой элементной базы выбирают конструктивное исполнение платы , число слоев и плотность проводящего рису нка схемы . При выборе числа слое в платы следует иметь в виду , что наименее трудоемки и просты в изготовлении ОПП без металлизированных отверстий и приблизитель но равны по затратам ОПП и ДПП о металлизированными отверстиями . Наиболее сложны и трудоемки в изготовлении МПП , число слоев кот о рых ограничено предельно доп устимым соотношением между диаметром металлизиро ванных отверстий и толщиной платы (не мене е 0,33). Ориентировочно соотношение трудоемкости изгот овления ОПП без металлизированных отверстий , ДПП и МПП составляет 1:4:20. По точност и выполнения элементов ( согласно ГОСТ 23751 - 86) конструкции ПП делятся на пять классов . Класс точности указывают на чертеже ПП. Под элементами конструкции ПП подразумева ются элементы проводящего рисунка. Печатные платы 1-го и 2-го классов т очности наибол ее просты в исполнении , надежны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость . Печатные платы 3-го , 4-го и 5-го классов точности требуют использования высок окачественных материалов , инструмента и оборудова ния , ограничения габаритных размерен , а в отдельных случаях и особых условий при изготовлении. Габаритные размеры ПП должны соответствов ать ГОСТ 10317 - 79. Размеры каждой стороны ПП дол жны быть кратными : – 2,5 мм - при длине до 100 мм ; – 5,0 мм - при длине до 350 мм ; – 10,0 мм - при длине более 350 мм. Рек омендуется разрабатывать ПП просто й прямоугольной формы . Конфигурацию , отличную от прямоугольной , следует применять только в технически обоснованных случаях. Соотношение линейных размеров сторон ПП должно быть не более 3:1. Допускается увелич ение этого соо тношения по согласованию с заказчиком. Согласно ОСТ 25.931 - 80 рекомендуются размеры ПП на вновь разрабатываемые и модернизируемые изделия . Максимальные размеры ПП и (или ) рабочего поля групповой установки должны б ыть не более 470 мм . Допуски на линейные размеры сторон ПП должны соответствовать ГОСТ 25346 - 82 и ГОСТ 25347 - 82. Сопрягаемые размеры ко нтура ПП должны иметь предельные отклонения по 12 квалитету . Несопрягаемые размеры контура - по 14 квалитету согласно ГОСТ 25347 - 82 (СТ СЭВ 145 - 75). Толщи на печатной платы определяется толщиной исходного материала и выбирается в зависимости от используемой элементной б азы и действующих механических нагрузок . Пред почтительными значениями номинальных толщин одно - и двусторонних печатных плат являются 0,8; 1,0 ; 1,5; 2,0 мм. Фольгированные материалы представляют собой слоистые прессованные пластинки , изготовленные на основе бумаги (гетинакс ) или ткани из стеклянного волокна (стеклотекстолит ), пропитанные термореактивными связующими и облицованные с одной или дву х сторон медной эле ктролитической фольгой , которая оксидирована с внутренней стороны для материалов обычного исполнения или покрыта пленкой хрома для гальваностойких материалов. Материал для печатной платы выбирают по ГОСТ 10316 - 78 или техническим услови ям . О бозначения марок , например , СФ -1(2)-35 означают , что промышленностью выпускаются как односторонние СФ -1-35, так и двусторонние СФ -2-35 фольгированные материалы с указанными толщинами фольги и материала с фольгой . Буквы Н и Г в обозначении марки матер и ала свидетельствуют о повышенной нагревостойкости (до +100°С ) и гальваностойкости. Фольгированные материалы предназначены для работы в следующих условиях : – гетинакс без дополнительной влагозащит ы предназначен для изготовления ПП , на кот орые в процессе раб оты может воздейст вовать окружающая среда , характеризующаяся относи тельной влажностью воздуха 45 - 75% при температуре 15 - 35°С ; – гетинакс с дополнительной влагозащитой и стеклотекстолит всех марок предназначены для изготовления ПП , на которые в про цессе работы может воздействовать окружающа я среда , характеризующаяся относительной влажност ью воздуха до 98% при температуре не выше 40°С ; – фольгированные материалы в виде ПП должны допускать воздействие температуры до 60°С . Фольгированные материалы изготавли ва ются листами следующих номинальных размеров : – гетинакс всех марок и толщин - 2440 х 1040; 1190х 1040, 800х 900 мм ; – стеклотекстолит всех марок и толщи н - 1190х 1010, 1010х 890, 1010х 840, 910х 890, 640х 490. Условные обозначения фольгированных материал ов - по Г ОСТ 26246 - 84. Для материалов высшего и первого сортов дополнительно должно бы ть указано “в.с.” или “ 1с.” . Пример усло вного обозначения фольгированного стеклотекстолита высшего сорта толщиной 1,5 мм , облицованного с двух сторон медной электролитической г а льваностойкой фольгой толщиной 35 мкм : СФ -2-35Г -1,5 в . с . ГОСТ 10316 — 78. Для ПП , предназначенных для эксплуатации в условиях первой группы жесткости по ОСТ 4.077.000 (табл . 6), рекомендуется применять материалы на основе бумаги , для второй , третьей и четве ртой групп жесткости — на основе стеклоткани. 3.3.2. Методы изготовления печатных плат Известно большое количество технологических вариантов изготовления печатных плат . Наибол ее широкое распространение получили следующие методы : – химический метод . Заключается в том , что на медную фольгу , приклеенную к диэлектрику с одной или с двух сторо н , наносят кислотостойкой краской рисунок рас положения печатных проводников . Последующим травл ением удаляется медь с незащищенных участков и на д и электрике остается сх ема проводников. Наиболее распространенными вариантами этого способа являются фотохимический , сетчато-химическ ий , офсетно-химический , которые различаются способо м нанесения защитного слоя. Достоинства этого метода : достаточная про стота , легко поддается автоматизации . Недост атки : необходимость применения металлических втул ок при двустороннем монтаже и непроизводитель ный расход меди. – электрохимический метод . Заключается в нанесении на плату кислотостойкой краской негативного рисунка про водников . Нанесение рисунка происходит с последующим наращивание м слоя меди. Основное преимущество электрохимического мет ода заключается в возможности металлизации от верстий одновременно с получением проводников . Недостатком является низкая рассеивающая сп особность (0,5 0,8 мм ) и низкая прочность сцепления проводников с основанием. Электрохимический метод находит применение главным образом в опытном и мелкосерийном производстве при изготовлении двусторонних п лат с большим чис лом переходов. – комбинированный метод . Заключается в получении проводников путем травления фольгиро ванного диэлектрика и металлизацией отверстий электрохимическим способом . Сущность метода тра вления фольгированного материала с последующим вытравливанием ф ольги с отдельных учас тков платы . Этот метод обеспечивает получение четких линий проводников печатной схемы . Он характеризуется меньшей трудоемкостью по с равнению с электрохимическим методом . Печатные платы более надежны , так как при этом диэлектрик наход и тся в более б лагоприятном условии , потому что фольга предо храняет его от действия электролита. Комбинированный метод широко применяется при изготовлении двухсторонних печатных плат. После механической обработки плата провер яется на наличие трещин на краях пл аты и в отверстиях , отслоения печатных про водников в зоне отверстий . Печатные проводник и должны быть четкими . Целостность электричес ких цепей устанавливается методом прозвонки. Детали на плату устанавливают вручную , пайку монтажных соединений выполняют п аяльником мощностью 35Вт припоем ПОС - 60. Применяю т только бескислотные флюсы . Качество пайки проверяют внешним осмотром. Для защиты проводников и поверхности основания платы от воздействия припоя использ уют резистивные маски на основе эпоксидной смолы , с ухого пленочного резиста. 3.3.3. Описание конструкции печатной пла ты Конструкция разработанного контроллера одноп латная . Из-за большого числа пересекающихся пр оводников плата двусторонняя . Основной шаг ко ординатной сетки принимаем 2,5 мм . Центры в сех отверстий располагаются на печатной плате в узлах координатной сетки . Диаметр монта жных и переходных отверстий берется 0,8 мм. Печатные проводники изображаются в виде отрезков линий , совпадающих с линиями коо рдинатной сетки или под угл ом кратным 15° . Печатные проводники выполнены одинаковой ширины - 0,5 мм с допуском 0,03 мм . Проводники покрыть сплавом “Розе” . Маркировку на плате выполнять травлением шрифтом 2.5 ПО ИО .010.007, в узких местах шрифтом 2. 3.4. Расчет надежност и контроллера 3.4.1. Причины отказов средств вычислите льной техники Для проектирования на основе вычислительн ых машин надежных систем важно прежде все го выявить возможные причины отказов ЭВМ . Следует иметь в виду , что неисправности элементов аппаратного оборудования являются лишь одной из многих причин отказов , и потому результаты прогнозирования надежности т олько на основе этих отказов могут оказат ься излишне оптимистичными . Рассмотрим некоторые наиболее важные источ н ики неиспр авностей ЭВМ. Ошибки в работе запоминающего устройства (ЗУ ) и центрального процессора (ЦП ) могут иметь весьма серьезные последствия , поскольку они способны привести к нарушению нормал ьной работы всей вычислительной системы , так как операционная с истема не может эффективно справляться с ошибками ЗУ . На качество работы ЗУ могут сильно влиять всплески питающего напряжения и отказы источ ников питания . Обычно для обнаружения ошибок в работе современных вычислительных машин осуществляется контроль опер а ций п о четности. Ошибки процессора - явление редкое , но обычно оно имеет катастрофические последствия . Например , обращение к n -индексному регистру может внез апно прерваться вследствие потери какого-либо двоичного разряда и привести к отключению всей систем ы. Ошибки в работе периферийного оборудовани я могут вызывать иногда серьезные затруднения , хотя обычно они не приводят к прекра щению работы системы. Ошибки в межмодульных соединениях . Сущест вует общая убежденность , что ошибки в лини ях передачи сигналов поя вляются и буд ут появляться всегда . Используются различные коды , обнаруживающие и исправляющие ошибки , те м не менее некоторые ошибки передачи данн ых в конечном счете могут приводить к выходу из строя терминалов и соединительны х линий. Ошибки по вине человек а . Двумя важными источниками подобных ошибок являются ошибки оператора и ошибки в программах . Иногда по вине операторов может произойти полный отказ системы в результате неправил ьного включения или выключения системы и неправильной реакции на конкретную с и туацию. Ошибки вследствие воздействия окружающей среды . Ошибки этого типа могут возникать в результате воздействия электромагнитного излуче ния при недостаточном экранировании или вслед ствие неисправностей оборудования кондиционирования воздуха. Ошибки всле дствие отклонения характер истик источников питания . Резкое возрастание напряжения источника питания может серьезно с нижать долговечность элементов электронной аппар атуры . Вычислительные машины чувствительны даже к кратковременным понижениям и повышениям н а пряжения , поэтому они должны име ть соответствующую защиту . Заметим , что при возникновении отказа ЭВМ установить его ис тинную причину бывает нелегко , и причины м ногих ошибок часто остаются необъясненными [8] . 3.4.2. Классификация неисправностей Основными причинами сбоя в работе ЭВМ являются устойчивые отказы элементов аппарат ного оборудования , временное ухудшение характерис тик элементов и внешние воздействия на ра боту вычислительной системы . Для моделирования и оценки надежности ЭВМ удобно класси фицировать неисправности по временному признаку , разделяя их на постоянные и перемежающие ся. Постоянные неисправности часто могут вызы ваться катастрофическими отказами элементов . В этом случае отказ элемента является необра тимым и устойчивым, а отказавший элемент подлежит ремонту или замене . Такие неиспр авности характеризуются большой длительностью ус транения , а интенсивность соответствующих отказов зависит от условий окружающей среды . Так , например , обычно элемент характеризуется раз личными и нтенсивностями отказов во включенном и выключенном состояниях. Перемежающиеся неисправности вызываются врем енным ухудшением характеристик элементов или такими внешними воздействиями , как электрические наводки , снижение напряжения и импульсные помехи . Подоб ные неисправности характеризую тся ограниченной продолжительностью существования , и для их устранения не требуется ремон та или замены элементов . Эти неисправности проявляются в виде перемежающихся отказов. 3.4.3. Основные подходы к оценке наде ж ности ЭВМ Надежность вычислительной машины , как и любой другой физической системы , можно повы сить , не прибегая к резервированию . В этом случае используются высоконадежные элементы и схемы с большим запасом надежности и уделяется повышенное вни мание технологии изготовления и сборки . Такой подход предусм атривает предотвращение неисправностей и бессбой ную работу аппаратных средств . В течение д олгого времени считалось , что без резервирова ния невозможно создать сверхнадежные вычислитель ные системы, необходимые , например , для проведения исследований космического пространст ва и управления наземными или бортовыми с истемами в реальном масштабе времени . В по следние годы надежность элементов ЭВМ существ енно возросла , что позволило создавать более надежные не резервированные системы . Однако повышение надежности сопровождается усложнением вычислительных систем и увеличением числа входящих в них элементов. Другим подходом к созданию надежных в ычислительных систем является обеспечение их отказоустойчивости . Так ой подход не исклю чает появления неисправностей , но их неблагоп риятное воздействие на работу системы предотв ращается или минимизируется путем введения то й или иной формы избыточности . Такая отказ оустойчивая вычислительная система может сохраня ть работоспо с обность при заданном числе отказов , либо правильно выполнять про грамму при отказе определенного числа элемент ов . Свойство отказоустойчивости обеспечивается за щитным резервированием , которое может осуществлят ься тремя различными способами : – введением избыт очных логических элементов или резервированием на уровне вы числительных машин ; – введением избыточности в систему п рограммного обеспечения , т . е . созданием дополн ительных программ , обеспечивающих защиту от о шибок или их исправление ; – введением временной и збыточности , благодаря которой становится возможным повт орение машинных операций. С функциональной точки зрения введение избыточности может осуществляться в статическо м или динамическом режиме. 3.4.4. Статическое резервирование Вл ияние неисправностей можно исключит ь путем введения дополнительного оборудования , с тем чтобы при отказе одного из р езервированных элементов выходные данные функцио нального модуля не менялись . Влияние неисправ ного элемента мгновенно и автоматически блоки р у ется благодаря наличию постоянно включенных и одновременно действующих элементо в . Такое резервирование называется статическим , так как блокирование отказа осуществляется автономно , без вмешательства в работу систе мы через какие-либо оконечные устройства в в ода-вывода. Резервирование со схемой голосования , явл яющееся наиболее важной формой блокирования о тказов , было предложено автором работы , которы й разработал и проанализировал схему тройного резервирования элементов с мажоритарной функ цией голосования . Резе рвирование такого р ода стало экономически целесообразным с разви тием технологии интегральных схем . Одним из интересных примеров применения этого подхода является ЭВМ пусковой установки ракеты “Са турн -5” . В этой вычислительной машине прим еняется тройное ре з ервирование модуль ной схемы с мажоритарными элементами в це нтральном процессоре и дублирование в основно м запоминающем устройстве. Для обеспечения отказоустойчивости систем передачи и хранения данных используются ра зработанные в технике связи коды с обнару жением и исправлением ошибок , а также специальные коды , предназначенные для быстро го кодирования и декодирования . В работе о тмечается , что стоимость таких схем примерно в 1,5 раза больше стоимости схем без ре зервирования. 3.4.5. Динамическое р езервирование При динамическом резервировании влияние н еисправностей может проявляться на выходах си стемы , однако предусматриваются средства их о бнаружения , диагностики и устранения . Если воз можность вмешательства человека исключается , то поср едством динамического резервирования с истеме придается свойство самовосстанавливаемости . Такой вид резервирования известен еще как резервирование замещением . Исправление ошибок обеспечивается за счет реализации повторных вычислений , например , способом обр а т ного прогона программы до возвращения к н екоторой исходной точке программы. 3.4.6. Гибридное резервирование В этой схеме в любой момент време ни три или большее число модулей соединен ы с мажоритарным элементом . При отказе как ого-л ибо модуля обнаруживается несовпадение его результатов с выходами двух других , и он заменяется резервным [ 8 ] . 4. Программное обеспечение контроллера 4.1. Разработка алгоритмов обработки да нных контроллером Программное обеспечение системы можно раз делить на две группы : – управляющие программы передающей аппар атуры - контроллера сбора и передачи телемехан ической информации ; – программа компьютера. Программа контроллера ждет сигнала ее вызова с диспетчерского пункта . Пока нет вызовов программа следит за состоянием датчиков пожара , затопления и охранным датч иком . Если от них приходит сигнал , то п роисходит вызов диспетчерского пункта и сообщ ается о причине вызова . Как только приходя т четыре гудка на модем на пу н кте учета тепловой энергии , программа отправляет диспетчеру запрос на пароль и следит за состоянием линии связи , чтобы не потерять данные . По приходу пароля его сравнивают с тем , который зашит в ПЗУ данного контроллера и если сравнение прошл о успешно , то д испетчер получает доступ к данным на теплосчетчике . Если пароль неверный - модем “кладет трубку” и система возвращается в начальное состояние . Д ля синхронизации передачи используется асинхронн ый старт-стоповый режим передачи информации. Программа компьютер а осуществляет при ем информационных байтов с пункта учета т епловой энергии и их анализ . По результату анализа данные в удобном для пользовател я виде выводятся на экран монитора . Данные также могут быть сохранены в базе да нных , в которой хранятся абсолютно все параметры измерений . В программе е сть диспетчер регулярного опроса , который по таймеру включается (например : ночью ) и авт оматически опрашивает все пункты учета теплов ой энергии и заносит результаты измерений в базу данных . Существует интерфейсный блок, т.н . монитор данных . Он включает в себя блок статистического анализа , блок мон иторинга в режиме реального времени , блок управления модемом , блок формирования отчетов . Блок статистического анализа позволяет производи ть логические и математические операции над поступившими данными . Блок мониторинг а позволяет увидеть в реальном времени по ступающие данные и мгновенные их значения . Блок управления модемом позволяет посылать на него различные команды , с помощью ко торых осуществляется дозвон до пункта учета тепл о вой энергии и передача данных . В блоке формирования отчетов по за данному образцу создается отчет , который при желании можно вывести на принтер. 4.2. Разработка программного обеспечения Программа AVR-микроконтроллера - это размещен ная в памяти программ последовательность команд , каждая из которых состоит из двоичных кодов операций и двоичных адресов операндов . Система команд AVR-микроконтроллеров включает команды арифметических и логических операций , команды передачи данных , команд ы , управ ляющие последовательностью выполнения программы , и команды операций с битами . Для удобства написания и анализа программ всем операц иям из системы команд , кроме двоичного код а , сопоставлены мнемокоды ассемблера (символически е обозначения операций ), которые испо льзуются при создании исходного текста програ ммы. Специальные программы-трансляторы затем перев одят символические обозначения в двоичные код ы . По исходному тексту программы , написанной на языке ассемблера , можно определить вре мя ее исполнения и объем программной памяти , необходимый для ее хранения . Програм мирование на языке ассемблера является прекра сным средством для того , чтобы прочувствовать архитектуру микроконтроллера и логику его работы . Этому также способствует то обстоят ельство , что тр а нсляторы с языка ассемблера распространяются фирмой Атмел бес платно и доступны всем желающим . Кроме языка ассемблера , для программирова ния встраиваемых микропроцессоров широкое распро странение получили языки программирования высоко го уровня : С и BASIC. Он и предоставляют программисту такой же легкий доступ ко всем ресурсам микроконтроллера , как и ассембл ер , но , вместе с тем , дают возможность создавать хорошо структурированные программы , сни мают с программиста заботу о распределении памяти данных и содержат большой набор библиотечных функций для выполнения стандартных операций . Важнейшим достоинством системы команд AVR-ми кроконтроллеров является то , что она была специально оптимизирована для использования язык а С. Вся энергонезависимая память AVR-микроконтро ллеров размещается внутри кристалла и состоит из электрически программируемых FLASH-памя ти программ и EEPROM-памяти данных . Так как все команды AVR представляют соб ой 16-разрядные слова , FLASH- память организована как последовательность 16-разрядных ячеек и имеет емкость от 512 слов до 64K слов в зав исимости от типа кристалла . Во FLASH-память , кроме программы , могут быт ь записаны постоянные данные , которые не и зменяются во время функционирования микропроцесс орной системы . Это различные константы , таблиц ы знакогенераторов , таблицы линеаризации дат чиков и т.п. Достоинством технологии FLASH является высокая степень упаковки , а недостатком то , что она не позволяет стирать отдельные ячейки . Поэтому всегда выполняется полная очистка всей памяти программ . При это м гаранти руется , как минимум 1000 циклов перезаписи FLASH-памят и AVR. EEPROM блок электрически стираемой памяти AVR п редназначен для хранения энергонезависимых данны х , которые могут изменяться непосредственно н а объекте . Это калибровочные коэффициенты , раз личные установки , конфигурационные параметры системы . EEPROM-память имеет меньшую емкость (о т 64 байт до 4К байт ), но имеет возможност ь побайтной перезаписи ячеек , которая может происходить как под управлением внешнего п роцессора , так и под управлением со б ственно AVR-микроконтроллера во время его работы по программе . В энергонезависимой памяти AVR имеется неско лько специализированных битов [ 7 ] . LOCK-биты (LB1, LB2) предназначены для защиты прог раммной информации , содержащейся во FLASH-памяти . В озможные реж имы защиты перечислены в таблице 4.1. Запрограммировав биты защиты , стереть их можно лишь во время очистки FLASH -памяти , которая уничтожает и всю программу. Таблица 4.1 Режимы защиты программы Состояние Lock-бит Режим LB1 LB2 Тип защиты 1 1 1 Защита от сутствует 2 0 1 За прет программирования Flash 3 0 0 З апрет как программирования , так и чтения Flash. FUSE-биты позволяют задавать некоторые кон фигурационные особенности микроконтроллера (см . та блицу 4.2). Микроконтроллеры AT90S1200 имеют FUSE-биты SPIEN и RCEN. Все остальные типы classicAVR конфигурируются при п омощи FUSE-битов SPIEN и FSTRT. MegaAVR имеют четыре FUSE-бита : SPIEN, SUT0, SUT1 и EESAVE. Три энергонезависимых Signature-байта служат для идентификации типа кристалла , программируются на фабрике и доступны только для чтения. Таблица 4.2 Назначение FUSE-бито в Fuse-бит (значение по умолчанию ) Значение Режим работы AVR 0 AVR тактируется внутренним RC-генератор ом . (работа AVR без каких-либо внешних элементов ) RCEN (1) 1 Тактирование при по мощи внешнего кварцевого резонатора или генератора. 0 Разрешение после довательного программирования через SPI интерфейс SPIEN (0) 1 Запрещение последовате льного программирования через SPI интерфейс 0 Задержка старта AVR после сброса ~ 0.25мс FSTRT (1) 1 Задержка старта AVR по сле сброса ~ 16 мс 00 Задержка старта AVR после сброса ~ 5 мс 01 Задержка старта AVR после сброса ~ 0.5 мс SUT 0/1 (11) 10 Задержка старта AVR после сброса ~ 4.0мс 11 Задержка старта AVR после сб роса ~ 16 мс 0 EEPROM не стирается во время цикла очистки энергонезависимой памяти EESAVE (1) 1 EEPROM стирается во время цикла очистки энергонезависимой памяти Разнообразные способы программирования AVR-микр оконтроллеров обеспечивают простой и удобный доступ к внутре нней энергонезависимой пам яти во всех возможных ситуациях программирова ния кристалла . Для энергонезависимых FLASH и EEPROM блоков AVR преду смотрены параллельный и последовательный способы программирования , которые выполняются под уп равлением внешнего про цессора , а для EEPROM-памяти также возможен способ программной пе резаписи под управлением AVR. LOCK-биты могут програ ммироваться как параллельно , так и последоват ельно . FUSE-биты у младших моделей AVR могут про граммироваться только последовательно , а у ст а рших - и параллельно , и последоват ельно . Параллельное программирование энергонезависимой памяти использует большое число выводов микроконтроллера и выполняется на специальных программаторах . Такое программирование удобно , когда при массовом производстве н еобходим о "прошивать " большое количество кристаллов . Последовательное программирование может выпо лняться прямо в микропроцессорной системе (In System Programming) через последовательный SPI-интерфейс , который использует всего четыре вывода AVR-микроконтро ллера . Эта новая возможность является очень важной , так как позволяет обновлять программное обеспечение в уже функционирующей микропроцессорной системе. 4.3. Рекомендации по отладке Подготовка программы для AVR-микроконтроллера вы полняется на персональном компьютере и состоит из следующих этапов : – создание текста программы ; – трансляция текста в машинные коды и исправление синтаксическ их ошибок ; – отладка программы , то есть устранен ие логических ошибок ; – окончательное программир ование AVR-ми кроконтроллера. Каждый из этапов требует использования специальных программных и аппаратных средств . Ниже перечислены наиболее доступные из них на сегодняшний день . Базовые программные средства фирмы Атмел распространяются бесплатно , в то вре м я как аппаратные средства имеют свою стои мость. Следует отметить , что кроме бесплатных программных средств фирмы Атмел , позволяющих программировать только на языке ассемблера , фирмами IAR SYSTEMS, CMX CORPORATION, KANDA SYSTEMS Ltd. и другими разработаны средства поддержки программирования на яз ыках высокого уровня С и BASIC, а также оп ерационные системы реального времени . Эти бол ее сложные и дорогостоящие продукты мы не обсуждаем , но информацию о них и демо нстрационные версии можно получить в фирме ЭФО и л и в Корпорации "Точка Опоры ". Рассмотрим более подробно этапы подготовк и программы для AVR Если Вы работаете в среде MS-DOS, то для выполнения первого и второ го этапа Вам придется воспользоваться различн ыми средствами . Для создания текста программы подойде т любой текстовый редактор DOS, к оторый формирует на выходе ASCII-файлы , например , встроенный редактор Norton Commander, редактор Multi Edit и т.п . Для трансляции текста программы в коды фи рмой Атмел предлагается DOS-версия программы-трансля тора AVRASM. Д ля работы в среде Windows 3.11/95/NT фирмой Атмел предлагается программа WAVRASM, которая позволя ет выполнить создание текста программы и его трансляцию внутри одной оболочки и об еспечивает дополнительный сервис для быстрого поиска синтаксических ошибок в текс те программы . Результатом Вашей работы на первом эт апе является файл <имя _файла >.asm, который сод ержит текст программы (расширение имени файла обычно указывает на язык программирования ) и является входным для программ-трансляторов , которые , в свою оче редь , создают чет ыре новых файла : файл листинга (<имя _файла >.lst), объектный файл (<имя _файла >.obj), файл-прошивка FLASH-памяти (<имя _файла >.hex), файл-прошивка EEPROM-памяти (<имя _файла >.eep). Файл листинга - это отчет транслятора о своей работе . В нем п риводится т ранслируемая программа в виде исходного текст а , каждой строке которого сопоставлены соотве тствующие двоичные коды . Кроме того , листинг содержит сообщения о выявленных ошибках. Объектный файл используется в дальнейшем как входной для программы-от ладчика AVRSTUDIO и имеет специальный формат . Файлы прошивки FLASH и EEPROM блоков памяти предназначены для раб оты с любыми последовательными и параллельным и программаторами AVR и имеют стандартные формат ы. Следующим этапом подготовки программы явл яется ее отладка , которая может выполнят ься двумя основными способами : на персонально м компьютере при помощи программы-симулятора или в реальной микропроцессорной системе . Два эти способа взаимно дополняют друг друга . Программа-симулятор AVRSTUDIO отображает на э кране компьютера Вашу программу и состояние внутренних регистров AVR. Таким образом , станови тся возможным наблюдать изменения переменных , которые происходят внутри микроконтроллера при выполнении тех или иных команд программы . Отметим , что в реальной сист е ме при помощи осциллографа невозможно просмотре ть состояние внутренних регистров . Использование симуляторов эффективно при отладке подпрогра мм , которые выполняют численную обработку вну тренних данных. В то же время , отладку подпрограмм , связанных с какими- либо внешними элемен тами , удобно выполнять непосредственно в рабо чей системе . Например , если микроконтроллер ге нерирует ШИМ-сигналы , управляющие яркостью свечени я светодиодов , то оценить игру красок Вы сможете только глядя на реальный макет. Для отладки пр ограммы в рабочей системе , кроме программных средств , требуются также и аппаратные . Ниже приведены представ лены различные варианты построения отладочной системы , отличающиеся своей стоимостью и во зможностями. Наиболее быстрый , не требующий пайки с пособ пос троения микропроцессорной системы на основе AVR - это приобретение комплекта AVR STARTER KIT фирмы Атмел , который содержит плату DEVELOPMENT BOARD, книгу "Development tool user's guide", дискеты с программным обеспечением , CD-ROM с полной документацией на все т ипы AVR и многочисленными примерами прикладных п рограмм для AVR (содержимое дискет и CD-ROM диска можно также найти на данной web-странице ). Пл ата DEVELOPMENT BOARD содержит панельки для подключения ба зовых типов AVR-микроконтроллеров в DIP-корпусах ; источник питания ; последовательный пр ограмматор , узел интерфейса RS-232 для связи с компьютером по асинхронному последовательному ка налу ; наборы из 8 светодиодов и из 8 кнопочны х переключателей , которые можно подключать к выводам портов микроконтроллера ; р а зъемы , через которые при помощи гибких каб елей можно наращивать микропроцессорную систему . Универсальность DEVELOPMENT BOARD удобна для обучения и для макетирования новых разработок. Вместе с тем , для многих конкретных проектов может не подойти конструкти вн ая реализация DEVELOPMENT BOARD или избыточным будет испол ьзование на этой плате источника питания , последовательного программатора и панелей под различные типы корпусов . В таком случае выполняют специализированную разработку , удовлетво ряющую требования м конкретной задачи. Одним из важнейших достоинств AVR-микроконтр оллеров является то , что все его аппаратны е ресурсы "спрятаны " внутри , и поэтому схем а включения AVR очень проста . Такая простота и миниатюрность позволяет во многих конкретны х приложениях не выносить цифровую част ь на отдельную плату , а помещать AVR непосред ственно внутри аналогового блока . Для обучени я технологии программирования AVR Вы можете собр ать макет схемы за 15 минут. Итак , если Вы решили работать не с платой DEVELOPMENT BOARD, а со с воей собственной микропроцессорной системой , то Вам необходимо приобрести еще какое-либо программирующее ус тройство . Как упоминалось выше , существует два способа программирования AVR-микроконтроллеров : пос ледовательное программирование через SPI-интерфейс и параллельное программирование . Параллельное программирование , которое требуе т извлечения AVR-микроконтроллера из системы и установки его в программатор , весьма неуд обно на этапе отладки программы. Для программирования Вашей микропроцессорной системы по SPI-интерфейсу непосредственно в системе фирмой Атмел предлагается прог рамма AVRPROG и программирующий SPI-кабель , в который встроен последовательный программатор. Кроме того , функцией программирования по последовательному SPI-интерфейсу обладает параллел ь ный программатор FLASHER. Способ отладки микро процессорной системы при помощи SPI-интерфейса о тличается своей дешевизной , но , однако , имеет и недостатки . Во-первых , каждый раз при в несении изменений в программу Вы перепрограмм ируете FLASH-память микроконт р оллера , коли чество циклов перезаписи которой ограничено х оть и достаточно большим , но все же ко нечным числом . Во-вторых , описанный способ не дает возможности пошаговой отладки программы. В связи с этим , фирмой Атмел разра ботаны более мощные , но и более дор огие внутрисхемные эмуляторы (in-circuit emulator) ICEPRO и megaICEPRO. Они представляют собой микропроцессорные устр ойства , которые с одной стороны связываются с Вашей микропроцессорной системой через п анель , предназначенную для установки AVR-микроконтро л лера , а с другой - с персональ ным компьютером и работают под управлением уже упоминавшейся программы фирмы Атмел AVRSTUDIO. Внутрисхемные эмуляторы позволяют выполнять программу в Вашей системе в пошаговом режиме и неограниченное число раз вносить изменени я в программу . При работе с внутрисхемным эмулятором Вы одновременно можете на экране компьютера наблюдать сост ояние внутренних ресурсов процессора , а на микропроцессорной плате - реакцию системы на те или иные команды программы. Завершающим этапом програм мирования AVR- микроконтроллера является занесение в память уже отлаженной программы . Оно может быть в ыполнено так же , как и при отладке про граммы , через SPI-интерфейс . Однако необходимо по мнить , что последовательное программирование млад ших моделей AVR не позволяет изменять FUSE-биты микроконтроллера . Если в микропроцессорной системе не предусмотрен SPI-интерфейс а также при серийном производстве для повышения скорости программирования большого числа микроконтроллеров удобно использовать программаторы , кот ор ые выполняют параллельное программирование . Следу ет отметить , что параллельные программаторы о бычно являются универсальными устройствами и позволяют , кроме AVR, работать и с другими ти пами микроконтроллеров , с постоянными запоминающи ми устройствами и ми к росхемами пр ограммируемой логики . Фирма ЭФО предлагает два типа программаторов , поддерживающих программирование AVR-м икроконтроллеров . Программатор FLASHER может выполнять как параллельное программирование , так и посл едовательное через SPI-интерфейс . Унив ерсальный программатор СТЕРХ поддерживает лишь паралле льное программирование.
1Архитектура и строительство
2Астрономия, авиация, космонавтика
 
3Безопасность жизнедеятельности
4Биология
 
5Военная кафедра, гражданская оборона
 
6География, экономическая география
7Геология и геодезия
8Государственное регулирование и налоги
 
9Естествознание
 
10Журналистика
 
11Законодательство и право
12Адвокатура
13Административное право
14Арбитражное процессуальное право
15Банковское право
16Государство и право
17Гражданское право и процесс
18Жилищное право
19Законодательство зарубежных стран
20Земельное право
21Конституционное право
22Конституционное право зарубежных стран
23Международное право
24Муниципальное право
25Налоговое право
26Римское право
27Семейное право
28Таможенное право
29Трудовое право
30Уголовное право и процесс
31Финансовое право
32Хозяйственное право
33Экологическое право
34Юриспруденция
 
35Иностранные языки
36Информатика, информационные технологии
37Базы данных
38Компьютерные сети
39Программирование
40Искусство и культура
41Краеведение
42Культурология
43Музыка
44История
45Биографии
46Историческая личность
47Литература
 
48Маркетинг и реклама
49Математика
50Медицина и здоровье
51Менеджмент
52Антикризисное управление
53Делопроизводство и документооборот
54Логистика
 
55Педагогика
56Политология
57Правоохранительные органы
58Криминалистика и криминология
59Прочее
60Психология
61Юридическая психология
 
62Радиоэлектроника
63Религия
 
64Сельское хозяйство и землепользование
65Социология
66Страхование
 
67Технологии
68Материаловедение
69Машиностроение
70Металлургия
71Транспорт
72Туризм
 
73Физика
74Физкультура и спорт
75Философия
 
76Химия
 
77Экология, охрана природы
78Экономика и финансы
79Анализ хозяйственной деятельности
80Банковское дело и кредитование
81Биржевое дело
82Бухгалтерский учет и аудит
83История экономических учений
84Международные отношения
85Предпринимательство, бизнес, микроэкономика
86Финансы
87Ценные бумаги и фондовый рынок
88Экономика предприятия
89Экономико-математическое моделирование
90Экономическая теория

 Анекдоты - это почти как рефераты, только короткие и смешные Следующий
Нет людей плохих и хороших. Есть неверно выбранная дистанция.
Anekdot.ru

Узнайте стоимость курсовой, диплома, реферата на заказ.

Банк рефератов - РефератБанк.ру
© РефератБанк, 2002 - 2016
Рейтинг@Mail.ru