Vestavné mikropočítačové systémy 1. Týden – Úvodní přednáška

Úvod Garant: Prof. Zdeněk Bohuslávek, CSc. Přednášející: Ing. Jiří Nesládek Rozsah: 28+28 Prerekvizity: Základy mikroprocesorové techniky Podklady: http://www.rabaka.net/VMS

Mikropočítačový systém Obecný (osobní – PC, PDA, servery, superpočítače) buď sám o sobě, samostatný, nebo jako oddělený, viditelný řídicí; důraz na HMI nebo na komunikační připojení. Vestavný (embedded – zabudovaný, vložený) do systému elektrického / mechanického zařízení, stroje, přístroje, průmyslového / spotřebního (bílá technika, audio / video, hračky, fotoaparáty), komunikačního (mobil), dopravního, lékařského, leteckého apod. dedikovaný počítač pracující v reálném čase jako součást nějakého uceleného systému = řídicí počítač systému ; pro uživatele není přímo viditelný; důraz na M2M (Machine-to-Machine Interface), t.j. rozhraní k obsluhovanému objektu (snímače, akční členy) – HMI (Human-Machine Interface) není podmínkou; zpravidla musí splňovat přísnější nároky na provozní parametry (teplota, vlhkost, nečistota, vibrace, …); cílové prostředí – program se jen vykonává, nelze samostatně vyvíjet.

Vestavné systémy PLC Průmyslové počítače PC architektura aplikace běží v OS do průmyslového prostředí Proprietální mikroprocesorové systémy („šité na míru“)

Nadřazený řídící a informační systém Co mají společného? Všechny druhy vestavné mikropočítačových systémů musí překonávat stejné nebo obdobné nástrahy a záludnosti reálného světa – prostředí, ve kterém pracují. Při své činnosti rovněž nezřídka využívají již zavedené a ověřené průmyslové standardy, zejména při komunikaci s okolními systémy. Komunikace mezi počítačovými systémy Přenos technologických dat do/z řídícího počítače Nadřazený řídící a informační systém Obsluha (operátor) Převodníky fyzikálních veličin a řízení akčních členů HMI Technologický proces Řídící počítač

Technologie a úlohy Vstupy/výstupy Komunikace Další obecné číslicové vstupy/výstupy analogové vstupy/výstupy klávesnice, tlačítka, apod. zobrazovače ovládání akčních členů – solenoidy (relé, stykače, apod.), motory Komunikace komunikační standardy zabezpečení přenosu proti chybám Další hodiny reálného času řešení upgrade firmware vestavných mikropočítačů otázky návrhu aplikací z hlediska ergonomie zdroje hodinového signálu napájecí obvody (síť, akumulátory, měniče)

Otázka volby… Neexistuje jedna jediná správná odpověď na otázku: „Jaké řešení zvolit?“ Optimální volba je vždy závislá na typu a složitosti úkolu, který řešíme. PLC předurčeny pro realizaci obvyklých řídících úloh průmyslové automatizace – typicky jako regulátory; rychlá a snadná implementace, mají dobře vyřešený systém vstup/výstupů určený pro přímé napojení regulovaného systému; omezené možnosti dané výrobcem PLC systému. Průmyslové počítače vhodné zejména pro nadstavbového řízení a realizaci komplexného HMI – řízení podřízených systémů, sběr dat, pult operátora; rychlý vývoj aplikací ve standardních programovacích nástrojích, vysoký výpočetní výkon, prezentační možnosti, datová úložiště; vstupy/výstupy se zpravidla omezují na sběrnice RS-232, USB a Ethernet, pro přímé napojení do řídícího procesu musí být doplněny dalšími komponentami. Proprietální mikroprocesorové systémy viz následující snímek…

Proprietální řešení …neznamená automaticky totéž, co „špatné řešení“, stejně jako nevhodně vybrané a použité standardní řešení stěží označíme za „dobré řešení“. zařízení vyvinuté na míru potřebám aplikace optimální poměr mezi cenou HW a výkonem/potřebami dražší vývoj a zavedení do provozu kdy má smysl uvažovat o propritálním řešení? řešená úloha je triviální, lze jí „odbýt“ jednočipovým mikropočítačem; řešená úloha je natolik speciální, že by bylo velmi obtížné a těžkopádné realizovat jí pomocí standardních prostředků; aplikace je provozována v extrémním prostředí (bateriové napájení, vysoká radiace, agresivní prostředí, statická elektrřina, vysoká úroveň el-mag. rušení, apod. ), zejména je-li a navíc u výsledného řešení požadována vysoká spolehlivost a dostupnost; když je cena dodatečných úprav (obvodů rozhraní) nutných k připojení standardního systému k technologickému procesu srovnatelná s cenou použitých standardních technologií když si to zdůvodníte jinak a někdo to bude ochoten zaplatit

Příklady proprietálních řešení Datalogger pro měření a sběr dat ze čtyřech anemometrů Rozvaha triviální úloha (hardwarově i softwarově) požadavek na napájení z akumulátorů nízký rozpočet

Příklady proprietálních řešení Karta číslicových vstupů/výstupů a analogových vstupů. Součást modulárního automatického testovacího systému. Rozvaha automatické testovací systémy se dají koupit jako celek – miliónové náklady pro středně velkého českého výrobce elektroniky byl výhodnější vlastní vývoj systém je maximálně přizpůsoben na míru výrobním procesům zadavatele cena výsledného hardware je nízká, žádné extrémní požadavky na přesnost

Příklady proprietálních řešení Řídící a vážící jednotka krmného vozu. Rozvaha speciální aplikace pro, kterou se přinejmenším software musí vyvinout na míru nestandardní požadavky na hardware (můstkový A/D převodník, displej) cenově citlivý segment trhu – cílová skupina uživatelů: farmáři

Příklady proprietálních řešení Řídící jednotka informačního systému kolejových vozidel. Rozvaha speciální aplikace, neobvyklá kombinace jinak standarních technologií odolnost proti el-mag. rušení, široký rozsah provozních teplot, nároky na spolehlivost

Příklady proprietálních řešení Řídící jednotka digitální pobočkové telefonní ústředny Rozvaha speciální aplikace, speciální hardware, vysoké nároky na spolehlivost

Vestavné (embedded) … „věci“ Vestavný počítač, tiskárna, apod. Zařízení určené svou povahou k zabudování (vestavbě) do jiného většího celku; K tomuto účelu je přiměřeně uzpůsobeno. Embedded procesor Poněkud posunutý význam přívlastku „vestavný“. V tomto spojení označuje součástku, kterou lze s výhodou použít při vývoji vestavné jednotky (počítače, tiskárny, apod.); Obvykle jde o generačně (a hlavně marketingově) mladší synonymum ke staršímu označení „jednočipový mikropočítač“; Označení „embedded“ se začalo používat s příchodem nových výkonnějších generací jednočipových mikropočítačů, zpravidla třicetidvoubitových; Jinak se ale přívlastek „embedded“ se používá dost volně; Být „embedded“ je prostě „cool“. Jednočipový mikropočítač Integrovaný obvod, který na jednom čipu sdružuje přinejmenším mikroprocesor, generátor hodinového signálu, paměť a V/V brány v rozsahu umožňujícím alespoň v malé míře samostatnou činnost.

Ne-jednočipový mikropočítač Jednočipové mikropočítače představovali v osmdesátých letech minulého století technologickou revoluci. Pro srovnání uvádím blokové schéma typického mikropočítače z té doby, založeného na rodině obvodů 80xx.

Přednosti embedded procesorů jednoduché obvodové řešení – paměť a periferní obvody na jednom čipu s mikroprocesorem zjednodušují návrh hardware i software („žádné“ sběrnice, adresování, časování, …) vyšší spolehlivost – méně součástek, méně spojů => menší pravděpodobnost poruchy optimální poměr cena/výkon – výrobci jednočipových mikropočítačů a embedded procesorů se zaměřují spíše na vytváření různě vybavených variant => návrhář si vybírá konkrétní obvod dle nároků vyvíjené aplikace menší fyzické rozměry, jednodušší DPS => nižší cena, menší nároky na vývojáře kromě přínosů v profesionálních aplikacích jde o ideální součástky pro amatérské „bastlení“ a výuku

Cíle předmětu VMS Obecná rovina Praktická rovina Seznámit se s technologiemi, které se vyskytují ve vestavných systémech obecně. Podstatnou část výkladu budou tvořit komunikační standardy; Popsat způsoby řešení standardních úloh, které se ve vestavných systémech nejčastěji vyskytují (ovládání klávesnice, displejů, akčních členů, apod.) Praktická rovina Praktické ukázky probíraných technologií ve cvičeních; První zhruba třetina semestru bude věnována výkladu vlastností jednočipových mikropočítačů moderní rodiny ATmega od fy Atmel; Student by měl být na základě získaných informací realizovat semestrální práci na přípravku s jednočipovým mikropočítačem ATmega.