МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Электронные системы управления, создаваемые на базе дискретных элементов и интегральных микросхем, выполняющих какую-либо определенную задачу управления, относятся к системам с жесткой логикой, т. е. алгоритм их функционирования определяется схемотехникой системы. У микропроцессорных систем такое ограничение отсутствует, т. е. при одной и той же структуре данные системы могут реализовывать различные алгоритмы управления вследствие соответствующего изменения записи команд в элементах памяти системы. Благодаря этому микропроцессорные системы образуют особый класс электронных систем управления и обладают рядом уникальных возможностей с точки зрения реализации самых сложных задач управления [2, 19, 20, 36).
В микропроцессорной системе обработка информации ведется в двоичном цифровом коде. Поэтому все многообразие поступающих в систему сигналов должно быть сведено к единой двоичной кодовой структуре, т. е. структуре вида «логический О» или «логическая 1». Сигналы, поступающие в систему управления, можно условно разделить на следующие группы:
сигналы от контактных или других датчиков, имеющие только два возможных состояния — открыт («логическая 1») и закрыт («логический О»);
сигналы от терминального устройства, т. е. от элементов системы, на которые воздействует водитель для корректирования действия системы управления (например, датчик положения педали управления подачей топлива либо контроллер управления). К этой группе могут быть отнесены и различные запросы на индикацию состояния тех или иных элементов системы управления;
информация о режимах работы агрегатов автомобиля (температура узлов, их нагрузочный режим, напряжение бортовой сети, частоты вращения валов двигателя и трансмиссии и др.).
Преобразование различных сигналов в требуемый их вид (цифровой код) для последующей обработки центральным процессором (ЦПУ) выполняют предварительные устройства, к которым можно отнести аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи, преобразователи частоты в напряжение (ПЧН). АЦП применяют для преобразования непрерывного линейного сигнала датчиков температуры, давления, напряжения в цифровой код, а ЦАП — для обратного преобразования. Преобразование частот вращения валов в код может происходить как через промежуточный ПЧН с последующим преобразованием напряжения в код, гак и путем непосредственного преобразования частоты в код. Для контактных датчиков преобразования не требуется, так как их выходной сигнал имеет уровень, соответствующий или состоянию «логического О», или «логической 1». Сигналы терминального устройства уже, как правило, имеют необходимую для обработки процессором структуру и поэтому дальнейшего преобразования не требуют.
Все сигналы от внешних источников, преобразованные к единому виду, поступают на интерфейс ввода-вывода, который может входить в состав микросхемы процессора или выполняться в виде отдельных элементов. Устройство ввода-вывода обеспечивает совместную работу ЦПУ и всех других устройств системы, являющихся по отношению к ЦПУ внешними.
Работа с внешними устройствами выполняется либо по методу периодического опроса их состояния, либо посредством организации системы прерываний от них. При работе микропроцессора с реализацией системы прерываний в нем осуществляется следующий порядок действий:
1) в момент, когда одно из внешних устройств готово выдать или принять очередную информацию или оказать воздействие на функционирование системы управления, оно посылает в ЦПУ сигнал готовности (запрос на прерывание);
2) получив сигнал готовности от внешнего устройства, ЦПУ вначале заканчивает выполнение текущей команды, а затем приостанавливает выполнение действий, предусмотренных основной программой, и выдает сигнал готовности начать работу, связанную с возникшим прерыванием (разрешение прерывания);
3) при наличии обоих указанных сигналов готовности происходит обработка прерывания, т. е. выполнение подпрограммы, предусмотренной запросом данного внешнего устройства;
4) если во время решения ЦПУ текущей задачи сигнал готовности прислали несколько внешних устройств, то первой будет принята для обработки или выдана информация внешнему устройству со старшим приоритетом. Уровень приоритетности внешних устройств задается либо при проектировании системы, либо закладывается в программу.
Далее обрабатывается информация внешних устройств с очередностью, определяемой старшинством их приоритета. Число градаций старшинства приоритетов (так называемая глубина прерываний) зависит от типа микропроцессора. Она колеблется от 2 до 8 и более.
Для обеспечения работы микропроцессорной системы управления в реальном масштабе времени, т. е. с выдачей необходимых команд в определенные периоды времени, в ее состав вводят таймер, который обычно выполняют в виде отдельной интегральной микросхемы. Получив управляющую команду (управляющее слово), таймер формирует определенную последовательность временных сигналов. К числу таких, например, относится деление тактовой частоты, формирование единичных импульсов (режим одновибратора), а также различных комбинаций импульсов. Сигналы от таймера наряду с сигналами от других внешних устройств поступают в ЦПУ, где в соответствии с заложенными алгоритмами происходят все необходимые преобразования и вычисления и выдается решение. Таким решением может быть, например, номер включаемой передачи, требование выключения сцепления, степень открытия дроссельной заслонки.
Для работы ЦПУ постоянно требуются дополнительные сведения, различные константы, а также необходимо временное хранение промежуточной информации. Эти данные ЦПУ получает от запоминающих устройств (ЗУ) системы. Для приема, хранения и выдачи всевозможных промежуточных данных, а также сведений о текущем состоянии элементов, т. е. всей той информации, которая изменяется в процессе работы микропроцессорной системы управления, используется оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
Для хранения информации, которая не изменяется при работе микропроцессора, а также записи алгоритма функционирования системы применяются постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) различного типа. Наиболее низкую стоимость имеют ПЗУ (ROM), программа в которые записывается при их изготовлении. Такие устройства применяются при массовом изготовлении микропроцессорных систем.
В программируемые запоминающие устройства ППЗУ (PROM) запись программы может быть осуществлена и после их изготовления на заводе. Поэтому данные устройства целесообразно применять при изготовлении относительно небольших серий микропроцессорных систем управления, особенно если в процессе их выпуска может возникнуть необходимость корректирования алгоритма управления.
В репрограммируемые запоминающие устройства РПЗУ (EPROM) программа может быть записана несколько раз. Однако эти устройства имеют более высокую стоимость, чем ПЗУ и ППЗУ. Поэтому РПЗУ в основном целесообразно применять только на стадии отладочных работ по микропроцессорным системам.
Для связи между выходами микропроцессора и исполнительными устройствами системы управления используются усилители сигналов или коммутационные элементы (силовые цепи).
Микропроцессорные системы отличаются большим разнообразием с точки зрения примененных типов устройств и их характеристик. Так, разрядность слова, т. е. число одновременно обрабатываемых разрядов, составляет 4 — 16 бит, тактовая частота — от одного до нескольких мегагерц, число уровней прерывания 2 — 8, объем ОЗУ — от 128 байт до нескольких килобайт, объем ПЗУ и ППЗУ — несколько килобайт. Например, объем ПЗУ системы управления двигателем и трансмиссией «Тойота» составляет 7,5 кбайт, объем ППЗУ системы управления сцеплением «Фиат» — 2 кбайт. В качестве ЦПУ могут использоваться как специальные микропроцессоры (например, в системе «Тойота»), так и серийные [37, 40, 41].
Особо перспективным является применение в системах управ ления агрегатами автомобилей однокристальных ЭВМ. В состав такой ЭВМ, выполненной в виде одной интегральной схемы, входят центральный процессор, генератор тактовых импульсов, ОЗУ, интерфейс ввода-вывода, таймер, контроллер прерываний, а также какое-либо из постоянных запоминающих устройств (ПЗУ, ППЗУ или РПЗУ с ультрафиолетовой системой стирания программы). Часто в составе одной серии однокристальных ЭВМ выпускают модификации с различными вариантами ПЗУ. Основным преимуществом применения однокристальной ЭВМ является возможность значительного сокращения числа интегральных микросхем, образующих систему управления. Однокристальная ЭВМ в зависимости от структуры микропроцессорной системы управления может заменить 5 — 10 корпусов интегральных микросхем, что помимо уменьшения размеров аппаратуры управления обеспечивает и существенное повышение ее надежности в результате сокращения внешних соединений между корпусами микросхем.
Рис. 4. Структурная схема микропроцессорной системы автоматического управления переключением передач (на базе комплекта микросхем серии КР580)
На рис. 4 приведена структурная схема системы автоматического управления переключением передач, основанная на применении микросхем, входящих в состав микропроцессорного комплекта серии КР580 [3, 5]. На вход системы подаются сигналы от датчиков скорости автомобиля и частоты вращения коленчатого вала двигателя, температуры двигателя, загрузки автомобиля и др., а также команды, поступающие от аппаратуры управления, на которые воздействует водитель (например, датчик положения педали управления подачей топлива, контроллер управления, запросы на индикацию состояния тех или иных устройств управления или показателей двигателя и коробки передач).
Перед поступлением в собственно микропроцессорную систему управления все эти сигналы обязательно преобразуются в числовой код с помощью соответствующих преобразователей (например, аналого-цифровых преобразователей, преобразователей частота — код и т. д.), входящих в состав блока ввода. Информация от блока ввода поступает в схему интерфейса. Причем в случае большого объема информации таких схем интерфейса может быть несколько.
ЦПУ рассматриваемой микропроцессорной системы состоит из трех микросхем. Большая интегральная схема микропроцессора типа КР580ИК80А обрабатывает всю информацию. Ее связь с шинами управления и данных осуществляется через системный.контроллер — шинный формирователь, а формирование тактовых последовательностей импульсов, необходимых для работы БИС микропроцессора, происходит с помощью генератора, стабилизированного кварцевым резонатором. В зависимости от вырабатываемых ЦПУ сигнала на шине управления и кода на шине адреса в работу с ним включается то или иное устройство микропроцессорной системы. Например, когда ЦПУ выдает на шину адреса код, требуемый для активизации соответствующего канала интерфейса, а на шину управления подает сигнал ввода, информация от данного канала интерфейса поступает в ЦПУ для последующей обработки.
В случае необходимости аналогичным образом осуществляется подача команд на обмен информации между ЦПУ и другими элементами микропроцессорной системы. При этом для работы с запоминающими устройствами ЦПУ выдает на адресную шину адрес ячейки памяти, а на шину управления команду «чтение» или «запись».
Для функционирования системы автоматического управления переключением передачи необходимо предусмотреть быстрое изменение режимов работы системы в зависимости от некоторых факторов. К числу таких факторов можно, например, отнести отказы тех или иных датчиков, приводящие к созданию аварийной ситуации, наличие юза при торможении автомобиля, непредусмотренные изменения напряжения питания системы.
Для того чтобы микропроцессорная система оперативно реагировала на указанные отклонения от нормальной работы, в ней используется система прерываний, реализуемая с помощью контроллера прерываний. К каждому входу или к части входов контроллера прерываний подводятся сигналы от внешних устройств. При появлении на каком-либо из входов контроллера сигнала с уровнем, соответствующим состоянию «логической 1», он посылает по линии запроса в ЦПУ запрос на прерывание его работы по основной программе. В зависимости от того, на какой из входов контроллера поступает сигнал с уровнем, соответствующим «логической 1», контроллер подготавливает информацию ЦПУ о том, на какую из подпрограмм ему следует перейти. Если сигналы с уровнем, соответствующим «логической 1», будут поданы одновременно на несколько входов контроллера, то он подготавливает для ЦПУ информацию о переходе на подпрограмму, предусмотренную сигналом внешнего устройства с самым старшим приоритетом.
При поступлении запроса от контроллера на прерывание ЦПУ сначала заканчивает выполнение текущей команды, а затем выдает на управляющую шину сигнал разрешения прерывания, т. е. готовность перехода от основной программы к подпрограмме. После этого контроллер информирует ЦПУ, на какую из подпрограмм ему следует перейти. По окончании выполнения этой подпрограммы ЦПУ либо по сигналу контроллера прерывания переходит на новую подпрограмму, запрос на которую поступил к контроллеру от следующего по старшинству приоритета внешнего устройства, либо при отсутствии таких запросов возвращается к выполнению основной программы.
Выполнение ЦПУ подпрограмм в порядке, определяемом старшинством приоритета внешних устройств, обеспечивает первоочередную реализацию в системе управления переключением передач таких управляющих воздействий, которые являются наиболее важными для автомобиля. В частности, старшим приоритетом, как правило, обладают внешние устройства, сигнализирующие о неполадках в системе управления, могущих создать для автомобиля аварийную ситуацию.
Микросхема контроллера прерываний КР580ВН59 имеет восемь входов для подключения к внешним устройствам. К одному или нескольким из этих входов могут быть подключены выходы таймера. Если при этом к входам таймера подвести сигналы от датчиков скорости и частоты вращения, то такое схемное решение позволит исключить из состава системы управления частотно-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, поскольку выполняемые ими задачи могут быть решены совместным действием таймера и ЦПУ.
Таймер может быть также использован для создания программ микропроцессорных систем управления, устойчивых к сбоям под воздействием внешних помех. В этом случае таймер используется для периодического контроля состояния элементов микропроцессорных систем управления, которое зависит от того, правильно ли функционирует система или в ней имеют место сбои.
После того, как ЦПУ заканчивает обработку соответствующего объема информации, он выдает управляющую команду, которая далее через канал вывода интерфейса поступает к блоку усилителей питания электромагнитов исполнительных устройств, а также к блоку индикации режимов. В результате обеспечивается требуемый порядок срабатывания исполнительных устройств и получение индикации режимов их работы.
Если для управления переключением передач применить однокристальную ЭВМ, то по своим функциональным возможностям она будет эквивалентна микросхеме, очерченной на рис. 4 штрих-пунктирной линией. В этом случае микропроцессорная система существенно упрощается. По техническим возможностям она практически не уступает системам, создаваемым с использованием нескольких микросхем, входящих в микропроцессорный комплект. В частности, если объем памяти однокристальной ЭВМ окажется недостаточным, то его можно увеличить, подключив ЭВМ к внешним устройствам.
Однокристальная ЭВМ содержит сотни тысяч элементов, и технология ее изготовления значительно сложнее по сравнению с изготовлением микросхем, входящих в микропроцессорный комплект. Вследствие этого стоимость однокристальной ЭВМ достаточно высока. Поэтому вопрос о целесообразности создания микропроцессорных систем управления на базе однокристальной ЭВМ следует решать с учетом конкретных областей применения той или иной системы управления.
По сравнению с электронными системами управления микропроцессорные системы имеют следующие преимущества:
с их помощью возможна реализация алгоритма управления любой сложности. При этом может быть учтено большое количество внешних параметров (помимо традиционно принимаемых во внимание частот вращения вала двигателя, выходного вала трансмиссии и нагрузки двигателя) таких, например, как производные этих параметров по времени, температурный режим двигателя, температура масла, полная масса автомобиля и т. д. Возникающие при этом трудности связаны лишь с необходимостью введения дополнительных датчиков и преобразователей;
при необходимости обеспечивается корректирование алгоритма управления как при развитии системы, так и в рамках существующей системы с учетом, например, таких факторов, как изменение характеристик агрегатов вследствие их изнашивания. Следовательно, возможно создание адаптивных систем управления, которые способны изменять свои характеристики в процессе эксплуатации автомобиля с целью обеспечения его наилучших показателей. Для достижения такого эффекта не требуется изменения аппаратурной части системы;
вследствие реализации широких возможностей микропроцессор ных систем возможно создание комплексной системы управления агрегатами автомобиля (например, двигателем, сцеплением, коробкой передач);
система управления на базе микропроцессорного комплекта или однокристальной ЭВМ требует минимального объема настройки и регулировок, поскольку они необходимы только для таких вспомогательных элементов системы, как ПЧН, ЦАП и АЦП.
Основными недостатками микропроцессорных систем являются:
относительно высокая стоимость системы вследствие необходимости ее комплектования рядом вспомогательных элементов, из числа которых наиболее дорогостоящими являются устройства ввода-вывода информации. Кроме того, значительная часть расходов по созданию микропроцессорных систем управления приходится на разработку их математического обеспечения;
чувствительность к помехам, которые могут вызывать сбои в работе системы. Это особенно важно для автомобильных микропроцессорных систем управления, поскольку работа агрегатов автомобиля сопровождается значительными помехами в его бортовой сети, а также полевыми (электромагнитными) помехами. Для устранения этого недостатка в настоящее время большое внимание уделяется разработке помехоустойчивых алгоритмов, т. е. таких, которые способны восстанавливать свою работу после непредвиденных сбоев [2].
Непрерывное совершенствование технологии производства электронных приборов, в том числе элементов микропроцессорных систем управления, обусловливает снижение их стоимости и создает благоприятные предпосылки для расширения их применения. Однако микропроцессорные системы целесообразно использовать в первую очередь для систем управления агрегатами автомобиля со сложными алгоритмами. К таким системам следует отнести антиблокировочные системы управления тормозными механизмами, системы управления гидромеханическими и автоматизированными механическими передачами и, конечно, комплексные системы управления несколькими агрегатами.
Одной из основных проблем создания микропроцессорных систем является разработка и реализация оптимального алгоритма управления. Многие различные микропроцессорные системы отличаются одна от другой в основном составом датчиков и видом алгоритма функционирования, который зависит от целевого назначения системы и сложности решаемых ею задач.
