Білоус А І, Власов В В, Демченко А І, Ємельянов В А, Сякерскій В С Науково-виробниче обєднання «Інтеграл» вул Корженевского, 12, м Мінськ, 220108, Республіка Білорусь факс: (+375 17) 278-28-22, e-mail: office@bmsby

Анотація – Представлені результати робіт за рішенням завдання побудови сучасних мікропроцесорних інформаційних і керуючих систем управління на вітчизняній елементній базі за функціональними можливостями не поступаються закордонним Дано рекомендації з оптимізації вибору апаратної та програмної складових функціональних модулів, наведені приклади побудови багаторівневих розподілених інфор-маційно-керуючих систем з використанням розроблених програмно-апаратних засобів

1                                      Введення

Сучасні системи автоматичного управління різного призначення характеризуються високою складністю реалізованих алгоритмів, серйозними вимогами за обсягом інформації, швидкості передачі і глибині її обробки

Архітектура мікропроцесорних систем управління є визначальним фактором при розробці апаратної частини системи та її програмного забезпечення

Різке зменшення габаритів сучасних електронних пристроїв і підвищення їх функціональної насиченості в чому змінило ідеологію проектування великих систем В даний час спостерігається перехід від інтегрованих систем, в яких один потужний процесор управляє великою кількістю пасивних периферійних пристроїв, до розподілених – коли кожен елемент системи є активним пристроєм

У першому випадку в системі використовується потужний процесор з великою кількістю пасивних пристроїв, а передача інформації здійснюється по паралельній шині (наприклад VME, PCI, ISA, PC/104 і тд) Така організація має такі недоліки:

• Необхідність застосування потужних процесорів Оскільки всі завдання вирішуються одним процесором при великій кількості периферійних пристроїв і плат вводу-виводу, то він повинен мати більшу продуктивність Застосування декількох процесорів, що працюють на одній шині без використання стандартних протоколів, ускладнює розробку програм

• Великі труднощі, повязані з розширенням системи При розширенні або модернізації потрібна заміна конструкції і модифікація або повна заміна програмного забезпечення

• Низька надійність Кількість зєднань на сучасної продуктивної шині досягає 100 і більше Замикання або обрив однієї з них призводить до відмови всієї системи Ситуація додатково ускладнюється застосуванням розємів з великою кількістю контактів При дублюванні в цьому випадку потрібно застосування такої ж додаткової шини, що різко збільшує габарити, вага і вартість всієї системи, але не вирішує проблему Оскільки електронні блоки системи при такому підході зосереджені в одному місці, то до них доводиться прокладати велика кількість силових і сигнальних ланцюгів (від датчиків і виконавчих пристроїв), що при великих габаритах системи також знижує надійність і збільшує вартість (велика витрата кабелю)

• Більші терміни розробки При розробці системи заново створюються апаратна і програмна частини Застосування стандартних конструктивів, плат і блоків полегшує, але не вирішує проблему

Перевагою систем з центральною архітектурою є прямий звязок мікропроцесора з периферійними пристроями звязку з обєктом (УСО), що в деяких випадках забезпечують більшу швидкість каналу управління

Система управління з розподіленою архітектурою являє собою мультипроцесорну систему, в якій загальна розвязувана задача, розділена на самостійні завдання, вирішення яких розподілено по окремим електронним модулям, обєднаним в єдину систему каналом міжмодульних звязку

Стиковка елементів розподіленої системи управління здійснюється за допомогою стандартних мережевих інтерфейсів на апаратному рівні і за допомогою стандартних протоколів – на програмному Даний підхід став активно застосовуватися з середини 80-х років з появою малогабаритних компютерів і контролерів, що володіють невисокою вартістю В даний час навіть активні датчики та виконавчі пристрої стали забезпечуватися мережевими інтерфейсами Канал міжмодульних звязку може мати різну топологію: магістральну структуру, кільцеву структуру, ієрархічну або радіально-магістральну структуру

Розподілені системи володіють наступними перевагами:

• Можливість розподілу електронних модулів системи по обєкту, високий потенціал для інтеграції з механічними елементами, аж до створення мехатронних вузлів і модулів

• Простота організації, можливість розширення та модернізації в умовах експлуатації шляхом заміни або подкпюченіем додаткових пристроїв Стандартні протоколи верхнього та нижнього рівнів дозволяють будувати системи з автоконфігурації, а також забезпечують сумісність з обладнанням, виробленим іншими фірмами

• Висока надійність і зниження обсягу дротових зєднань через розміщення локальних систем керування у безпосередній близькості від обслуговуваних периферійних обєктів машини Для подкпюченія до мережевого інтерфейсу потрібна невелика кількість проводів і використовуються розєми з невеликою кількістю контактів Наприклад, для підключення до CAN або Profibus необхідно 3 дроти – два сигнальних і один загальний, якщо використовувати додатковий канал для резервування, то потрібно 6 проводів і відповідну кількість контактів розєму При такій кількості сигналів легко забезпечується гальванічна розвязка елементів системи Ряд мережевих інтерфейсів здійснює корекцію помилок на апаратному рівні, для передачі і прийому використовуються диференціальні приймачі, які пригнічують синфазні перешкоди Оскільки в такій системі всі елементи активні, то легко забезпечуються функції дублювання

• Малі терміни і спрощення розробки за рахунок модульності і розподілу завдань по окремих електронним модулям розробки Великий виграш досягається при модернізації систем, оскільки більша частина апаратних засобів і програмного забезпечення не вимагає модифікації

• Легкість тестування і налагодження, зниження вартості ремонту та обслуговування Оскільки всі елементи системи активні, легко забезпечити самодіагностику і пошук несправності

• Використання компютерів і контролерів меншої потужності Завдання розподіляється по активних елементів системи, і такий метод декомпозиції, активно використовується програмістами для розробки ефективних програм Оскільки при вирішенні завдання використовується декілька процесорів, кожний з них може мати невелику продуктивність

Головний недолік систем з розподіленою архітектурою – це обмежена швидкість обміну інформацією по послідовним каналам міжмодульних звязку, тому в загальному випадку БСУ повинна бути багаторівневою з використанням для деяких підсистем центральної архітектури При цьому, канал міжмодульних звязку може мати різну топологію: магістральну, кільцеву, ієрархічну або радіальномагістральную

2                              Основна частина

Виходячи з технологічних можливостей, специфіки та спрямованості підприємств НВО «Інтеграл», НТЦ «Белмікросістеми», в даний час, проводяться роботи з вирішення завдань, повязаних в тій чи іншій мірі з проблемами створення розподілених систем управління різного призначення:

• Створення нового покоління елементної бази, за своїми можливостями, яка не поступається закордонним аналогам До них можна віднести нове покоління мікроконтролерів, запамятовуючих пристроїв, пристроїв силової електроніки, пристроїв інтерфейсу і тд

• Створення функціонально закінчених мікропроцесорних модулів для побудови багаторівневих розподілених систем автоматичного управління

• Створення Типоряду мікромодулів управління виконавчими пристроями, інтелектуальних датчиків і чутливих елементів до них, в тому числі із застосуванням гібридних технологій і технологій МЕМС

• Розробка технологій дозволяють підвищити існуючу в даний час ступінь інтеграції

В основу проведених нами робіт покладена технічна ідеологія, основними принципами якої є:

• Наступність у розвитку електронних систем

• Високий ступінь уніфікації та інтеграції для забезпечення низької вартості і можливості серійної реалізації з використанням технологічних можливостей заводів НВО «Інтеграл»

• Широке застосування мікропроцесорних засобів для забезпечення універсальності апаратних засобів і можливості швидкої модернізації електронних систем за рахунок нового программноалгоритмического забезпечення

• Розвиток функцій інтелекту (глибока обробка сигналів на рівні периферії, самодіагностика, мережеві інтерфейси, адаптивність) і захисту (Від КЗ, кидків напруги і тд)

• Гнучкість, що забезпечує можливість широкого застосування

• Наявність і доступність комплектуючих випускаються серійно

При подібному підході до створення систем управління, тобто підході, заснованому на інтелектуалізації периферійних пристроїв і підсистем, найважливішим елементом є вибір правильного співвідношення між програмної та апаратної складовими системи управління

При вирішенні такого завдання необхідно забезпечити виконання головної умови-досить тривале функціонування апаратної частини при можливості багаторазової модернізації програмного забезпечення

Для периферійних модулів інформаційних та виконавчих пристроїв основний обсяг програмного забезпечення визначається функціональними можливостями відповідного датчика або виконавчого пристрою, тому, якщо провести правильне розбиття глобального алгоритму керування, достатнім для програмної модернізації є 10-15% запас в апаратній частині модуля Враховуючи загальні тенденції розвитку датчи-кової апаратури і виконавчих пристроїв, відповідні периферійні модулі повинні бути орієнтовані на реалізацію локального алгоритму управління і будуватися з урахуванням подальшої інтеграції безпосередньо в датчики та виконавчі пристрої

Дещо інший підхід повинен бути при створенні функціональних керуючих модулів більш високого рівня У даному випадку найважливішим елементом процедури проектування є складання ефективного прогнозу розвитку системи управління та його формалізації

Очевидно, що узагальнена методика проведення якісної оцінки функціональної достатності і стійкості роботи пристроїв будь-якої складності повинна бути формалізована і заснована на основних фізичних принципах і постулатах теорії сталого розвитку електронних систем

При такому підході можна говорити, що правильність функціонування системи і стійкість її розвитку визначається потенціалом, що є функцією двох незалежних змінних (апаратної та програмної складових), і визначеним загальним прогнозом розвитку системи управління в цілому або її складових

в такому випадку, в якості основного вихідного моменту може бути прийнято положення, що система ефективна і стійко розвивається, якщо вона відповідає реальній області фазового простору обраних координат, при вимозі позитивності коефіцієнтів розкладання прогнозного потенціалу по узагальнених координатах і з фізичної точки зору її стан відповідає глобального мінімуму

Для аналізу стійкості системи, застосуємо загальновідомі постулати Уявімо потенціал системи у вигляді його полиномиального розкладання по узагальнених координатах

де х ^, – узагальнені координати (апаратна і

програмна складові), К, – коефіцієнти полиномиального розкладання, 0 (х ^, у ^) – члени вищого порядку по х ^ і у ^, приймаємо їх малими величинами якщо вважаємо, що ряд (1) сходиться Для останнього затвердження слід зауважити, що в довільному випадку в реальній фізичній системі можуть бути присутніми члени більш високого ступеня, але згідно основному постулату теорії катастроф потенціал будь-якої системи визначається двома незалежними змінними приводиться до вигляду (1) для якого члени 0 (х ^, у ^) – малі

Як показали розрахунки, характеристичне рівняння матриці стійкості завжди має дійсні рішення ((K3-K5f + K4 ^> 0) Межі областей стійкості в фазовому просторі задаються поверхнями 4КзК5-К4 ^ = 0 і Кз + К5 = 0 Діаграма фазового стану наведена на рис1 і може бути розділена на ряд областей, що характеризуються певним типом стійкості системи:

Рис1 Діаграма стійкості розвитку системи

Fig 1 Diagram of system development stability

1) В області 4КзК5-К4 ^ <0, Кз + К5 <0 обидва кореня характеристичного рівняння матриці стійкості λΐ2 = Κ3 + Κ5 ± V (K3-Ksf + K4 ^ <0 негативні, потенційна функція має ізольований максимум, що відповідає нестійкого стану, тобто в даному випадку вибір співвідношення програмної та апаратної складових є не ефективним.

2) В областях 4КзК5-1 <4 ^ <0, Кз + К5 <0 і 4К3К5-1 <4 ^ <0, Кз + К5> 0 коріння характеристичного рівняння матриці стійкості мають різні знаки, отже потенційна функція має седловую точку, це означає що система стійка по одній координаті і нестійка по іншій Дана ситуація найчастіше виникає в процесі розвитку систем управління і свідчить про необхідність проведення їх модернізації

3) В області 4КзК5-1 ^ ^> 0, Кз + Кб> 0 обидва кореня характеристичного рівняння матриці стійкості є позитивними і потенційна функція має ізольований мінімум, що відповідає сталому та ефективному розвитку системи

В даний час в НТЦ «Белмікросістеми» створений комплект функціонально закінчених мікропроцесорних модулів дозволяють створювати багаторівневі розподілені системи управління на основі вітчизняної елементної бази До їх числа слід віднести типоряд інформаційних, управляючих, шлюзових та диспетчерських функціональних модулів забезпечують оптимальне співвідношення між програмним забезпеченням і апаратною реалізацією з 10-річним прогнозованим потенціалом вирішення реальних завдань систем управління і дозволяють реалізовувати ряд типових режимів управління без участі оператора До їх числа можна віднести:

– автоматизація виконання функцій окремих штатних виконавчих пристроїв і підсистем

– автономний аналіз показників датчиків і автономна самодіагностика виконавчих пристроїв і підсистем

Розробка модулів проводилася з урахуванням рішення задачі оптимізації апаратної та програмної складових Отримані результати показали, що створені мікропроцесорні модулі не тільки здатні вирішувати широке коло практичних задач На їх основі створено системи управління мікрокліматом в сільськогосподарських приміщеннях, ряд систем управління для автотракторної техніки (системи управління трансмісією, електроустаткуванням і тд) Розроблені модулі здатні реалізовувати різні закони управління виконавчими пристроями (електродвигунами, електрогідравлічною апаратурою), працювати з цілим спектром датчиків Аналіз перспектив розвитку обєктів, з якими працюють розроблені модулі, показує потенційну затребуваність останніх протягом не менше 5 років

3                                   Висновок

Виходячи з результатів проведеної роботи необхідно зазначити, що актуальною проблемою подальшої реалізації концепції розвитку інформаційно – вимірювальних і управляючих систем є створення технологій, дозволяють досягти їх надщільної компонування та інтеграції Тому необхідний системний підхід у розвитку елементної бази, функціональних електронних модулів і систем управління, що дозволяє комплексно вирішувати всі виникаючі проблеми, першочерговими серед яких є:

1 Створення Типоряду електронних систем управління на базі уніфікованих модулів, у тому числі МЕМС

2 Створення ряду мікромініатюрних інтелектуальних пристроїв спеціального призначення

3 Забезпечення високого ступеня інтеграції, мініатюризації та уніфікації модулів

4 Розробка необхідного программноалгоритмического забезпечення нижнього рівня

5 Забезпечення високого рівня інтелекту, в тч на рівні окремих модулів

1  L Krasnevski, The Fundamental Aspects of the Structural Theory of Multispeed Transmissions Control – Paper Offer#: 05P-336 AE 2005 World Congress Session P28

2 Красневська Л Г, Луцький В І, Шестопалов С І, Камянка Т В, Белевич А В «Модульні мікропроцесорні системи управління гідромеханічними передачами великої потужності» XXXVII конференція ААІ на тему «Розвиток аналітичних досліджень і конструкцій автотранспортних засобів»

HARDWARE-SOFTWARE SOLUTION FOR THE DEVELOPMENT OF MULTILEVEL DISTRIBUTED INFORMATION-MEASURING AND CONTROL SYSTEMS

A               I Belous, V V Vlasov, A I Demchenko,

V A Yemelyanov, V S Syakerskiy Integral’ Scientific Production Association 12 Korzhenevsiiogo St, Minsi<, Republic of Belarus Tei: +375 (17) 2782822 e-maii: office@bmsby

Abstract – The results of efforts focused on the development of up-to-date microprocessor data and control systems using domestic componentry, while offering the same functionality as imported counterparts, are presented The boards were developed with regard to the issue of optimizing hardware and software components The available results prove that capabilities of the developed microprocessor boards go beyond a broad range of practical applications Climate control systems for agricultural facilities or automotive control system solutions (including transmission and electrics control systems, etc) have also been designed The boards are capable of implementing various laws of actuating device control (incl electric motors, electrohydraulic equipment), and operating with a wide range of sensors Recommendations are given on optimized selection of hardware and software components for functional units

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р