Розробка системи теплопостачання

ВСТУП

Розвиток сучасної обчислювальної техніки, електроніки та радіотехніки дозволяє створювати складні системи, призначені для виконання різних наукових, виробничих, технологічних завдань. Використання таких систем покликане поліпшити якість, ефективність тих чи інших виробничих цілей. Існує кілька наукових напрямів, в основі яких лежить об'єднання обчислювальної техніки та електроніки з технологічними процесами, радіоапаратурою. На основі цих напрямків розроблено величезну кількість самих різних за функціями охоронних, протипожежних систем. Якщо раніше об'єднання різних високонаукових технологій і засобів обчислювальної техніки використовувалося в основному у вирішенні різних наукових проблем, таких як освоєння космосу, вивчення надр землі та багатьох інших, то зараз такі високонаукові технології використовуються і в повсякденному житті.

Особливістю проекту є його розробка на основі діючої системи теплопостачання міста Самари. В даний час передбачено технічне оснащення більше 100 пунктів обліку теплової енергії, розташованих в Сонячному і Приволзькому мікрорайонах міста. Апаратно-програмний комплекс призначений для передачі і контролю параметрів, що вимірюються з пунктів обліку теплової енергії, розосереджених по території міста Самари, на диспетчерський пункт. Застосування апаратно-програмного комплексу дозволить підвищити ефективність роботи системи теплопостачання міста, покращить оперативність виконання тих чи інших відновлювальних робіт, тому що комплекс буде стежити за роботою системи теплопостачання цілодобово. Розглянута теплова мережа знаходиться в Сонячному і Приволзькому мікрорайонах, складається з наступних елементів:

- Подаючих трубопроводів;

- Зворотних трубопроводів;

- Теплових насосних станцій.

Об'єктами системи є теплові насосні станції. Станції мають два різновиди технологічних схем. На станціях першого типу теплові насоси стоять на зворотних лініях. На станціях другого типу є теплообмінники, а насоси встановлені на подавальних лініях. Однак різниця в технологічних схемах не має істотного значення для вирішення принципових питань щодо побудови системи. Різниця буде лише в точках установки деяких датчиків. Всі основні рішення однакові для теплових насосних станцій як першого, так і другого типу [1].

Кількість теплової енергії і маса (або обсяг) теплоносія, отримані споживачем, визначаються енергопостачальною організацією на підставі показань приладів його вузла обліку за певний Договором період за формулою:

Q = Qі + Qп + (gп + Gгв + Gу) * (h2 - hхв) * 10-3,

де Qі - теплова енергія, витрачена споживачем, за показаннями теплолічильника;

Qп - теплові втрати на ділянці від межі балансової належності системи теплопостачання споживача до його вузла обліку. Ця величина визначається у Договорі і враховується, якщо вузол обліку обладнаний не на межі балансової належності;

Gп - маса мережної води, витраченої споживачем на підживлення систем опалення, за показаннями водолічильника (враховується для систем, підключених до теплових мереж за незалежною схемою);

Gгв - маса мережної води, витраченої споживачем на водозабір, за показаннями водолічильника (враховується для відкритих систем теплоспоживання);

Gу - маса витоку мережної води в системах теплоспоживання. Її величина визначається як різниця між масою мережної води G1 з'явиться на водолічильника, встановленого на подаючому трубопроводі, і сумою мас мережної води (G2 + Gгв) за показаннями водолічильників, встановлених відповідно на зворотному трубопроводі і трубопроводі гарячого водопостачання, Gу = [G1 - (G2 + Gгв)];

h2 - ентальпія мережної води на виведенні зворотного трубопроводу джерела теплоти;

hхв - ентальпія холодної води, що використовується для підживлення систем теплопостачання на джерелі теплоти.

Величини h2 та hхв визначаються за відповідними виміряним на вузлі обліку джерела теплоти середнім за аналізований період значеннями температур і тисків [2].

У системах теплоспоживання, де приладами обліку визначається тільки маса (або обсяг) теплоносія, при визначенні величини витраченої теплової енергії за висловом значення Qі знаходиться за формулою:

Qі = G1 * (h1 - h2) * 10-3,

де G1 - маса мережної води в подаючому трубопроводі, отримана споживача та визначена за його приладів обліку;

h1 - ентальпія мережної води на виведенні трубопроводу, що подає джерела теплоти;

h2 - ентальпія мережної води на виведенні зворотного трубопроводу джерела теплоти.

Величини h1, h2 визначаються за відповідними виміряним на вузлі обліку джерела теплоти середнім за аналізований період значень температур і тисків.

Апаратно-програмний комплекс призначений для контролю з диспетчерського пункту, який розташований на насосній станції "Сонячна", за роботою теплових насосних станцій Сонячного і Приволзького мікрорайонів. Теплопостачання міста діє в умовах постійно зростаючої навантаження, зумовленої триваючим житловим будівництвом. При цьому необхідно вирішувати наступні питання:

- Підвищення надійності теплопостачання, тобто забезпечення безперебійної подачі тепла споживачам;

- Зниження експлуатаційних витрат.

Теплова мережа характеризується рассредоточенностью трубопроводів і теплових насосних станцій по території міста, великим числом параметрів контролю, зміна одного з яких веде за собою зміну низки інших. Багато подій, що відбуваються в тепловій мережі, виникають у випадкові моменти часу і заздалегідь не можуть бути передбачені (прориви трубопроводів, поломки насосів, аварії в системі електропостачання насосних).

При досить великому числі контрольованих пунктів, що входять до складу системи теплопостачання, складній структурі їх розосередження, значно підвищуються вимоги до оперативності дій системи управління.

Будь-яка система характеризується технічної та інформаційної надійністю. Найбільш ефективним шляхом підвищення достовірності прийнятої інформації є використання власних можливостей системи. Застосовуючи у відповідності із зовнішніми умовами той чи інший спосіб формування сигналів, використовуючи найбільш близький до оптимального методу їх передачу можна забезпечити необхідну надійність передачі інформації. У цій системі інформація передається за допомогою радіосигналів, так як в умовах міста Самари і стану телефонного міського мережі це найбільш прийнятний і доступний в економічному сенсі спосіб.

Впровадження апаратно-програмного комплексу дозволяє відмовитися від постійного обслуговуючого персоналу на теплових насосних станціях. Чергування обслуговуючого персоналу буде організовано в одному місці - диспетчерському пункті, що дозволить знизити експлуатаційні витрати. Сучасний стан мікроелектроніки, обчислювальної техніки дозволяє ефективно вирішувати завдання підвищення надійності та якості теплопостачання великих міст. Це викликано тим, що комплекс значною мірою перевершує людини у здатності спостерігати і контролювати, з причини того, що кількість і розміщення датчиків може бути будь-яким. Основною ланкою системи є контролер на пункті обліку теплової енергії, так як його апаратне та програмне забезпечення - це ланка передачі інформації. Він виконує команди програми і організує передачу інформації. Програмне забезпечення ділиться на загальне програмне забезпечення, що постачається із засобами обчислювальної техніки та спеціальне програмне забезпечення, яке спеціально розроблене для даної конкретної системи і включає програми, що реалізують її функції.

1. Постановка завдання

1.1. Вимоги до апаратно-програмних засобів периферійних пристроїв системи збору показів лічильників теплової енергії

Кінцевою ланкою апаратно-програмного комплексу повинен бути комп'ютер (ПК), на якому обробляється і відображається вся отримувана від контрольованих пунктів інформація. Персональний комп'ютер на диспетчерському пункті має працювати цілодобово, під управлінням спеціально розробленого програмного забезпечення. Програмне забезпечення забезпечує зв'язок з модемом-декодером, відображає на екрані дисплея стан всіх пунктів обліку теплової енергії по черзі.

Програмне забезпечення, математичне забезпечення має бути універсальним, дозволяти підключення чергового пункту обліку теплової енергії до системи незалежно від технологічних особливостей її роботи, з різним числом і типом основного обладнання контрольованого пункту. Повинна передбачатися можливість роботи з контрольованим пунктом в інформаційному режимі і в режимі реалізації функцій телесигналізації. Екранна картинка на моніторі персонального комп'ютера повинна відображати інформаційно-керуючі особливості опитуваного в даний момент часу пункту обліку теплової енергії. Робота апаратури диспетчерського пункту та апаратури контрольованого пункту від резервного джерела електроживлення повинна забезпечуватися протягом 14 годин.

Вузол обліку теплової енергії обладнується засобами вимірювання (теплолічильниками, водолічильники, тепловираховувача, лічильниками пара, приладами, що реєструють параметри теплоносія, та ін), зареєстрованими у Державному реєстрі засобів вимірювань і мають сертифікат Головдерженергонагляду Російської Федерації.

Прилади обліку - прилади, які виконують одну або кілька функцій: вимірювання, накопичення, зберігання, відображення інформації про кількість теплової енергії, масі (або обсязі), температуру, тиск теплоносія і часу роботи самих приладів.

Тепловий пункт (ТП) - комплекс пристроїв для приєднання систем теплоспоживання до теплової мережі та розподілу теплоносія за видами теплового споживання.

Теплова мережа - сукупність трубопроводів і пристроїв, призначених для передачі теплової енергії.

Вузол обліку - комплект приладів і пристроїв, що забезпечує облік теплової енергії, маси (або об'єму) теплоносія, а також контроль і реєстрацію його параметрів.

Водолічильник - вимірювальний прилад, призначений для вимірювання об'єму (маси) води (рідини), що протікає в трубопроводі через перетин, перпендикулярне напрямку швидкості потоку.

Теплолічильник - прилад або комплект приладів (засіб вимірювання), призначений для визначення кількості теплоти і вимірювання маси та параметрів теплоносія.

Теплообчислювач - пристрій, що забезпечує розрахунок кількості теплоти на основі вхідної інформації про масу, температурі і тиску теплоносія.

Залежна схема підключення системи теплоспоживання - схема приєднання системи теплоспоживання до теплової мережі, при якій теплоносій (вода) з теплової мережі надходить безпосередньо до системи теплоспоживання.

Закрита водяна система теплопостачання - система теплопостачання, в якій вода, що циркулює в тепловій мережі, з мережі не відбирається.

Незалежна схема підключення системи теплоспоживання - схема приєднання системи теплоспоживання до теплової мережі, при якій теплоносій, що надходить з теплової мережі, проходить через теплообмінник, встановлений на тепловому пункті споживача, де нагріває вторинний теплоносій, який використовується в подальшому в системі теплоспоживання.

Відкрита водяна система теплопостачання - водяна система теплопостачання, в якій вода частково або повністю відбирається із системи споживачами теплоти [2].

При використанні для обліку теплової енергії теплолічильників, тепловираховувача і лічильників маси (обсягу), що реалізують принцип вимірювання витрати теплоносія методом змінного перепаду тиску (де в якості пристрою звуження використовується діафрагма, сопло або інше звужуюче пристрій, виконаний у відповідності до вимог РД50 - 411 - 83 ), вузол обліку повинен бути атестований в індивідуальному порядку Держстандартом і узгоджений з Держенергонаглядом.

Кожен прилад обліку повинен проходити перевірку з періодичністю, передбаченої для нього Держстандартом. Прилади обліку, у яких закінчився термін дії перевірки та (або) сертифікації, а також виключені з реєстру засобів вимірювань, до експлуатації не допускаються.

Вибір приладів обліку для використання на вузлі обліку джерела теплоти здійснює енергопостачальна організація за узгодженням з Держенергонаглядом.

Вибір приладів обліку для використання на вузлі обліку споживача здійснює споживач за погодженням з енергопостачальною організацією.

У разі розбіжностей між споживачем і енергопостачальної організацією за типами приладів обліку, остаточне рішення приймається Держенергонаглядом.

Прилади обліку мають бути захищені від несанкціонованого втручання в їх роботу, порушує достовірний облік теплової енергії, маси (або об'єму) і реєстрацію параметрів теплоносія.

У Правилах обліку теплової енергії і теплоносія встановлені вимоги до метрологічних характеристик приладів обліку, що вимірюють теплову енергію, масу (об'єм) води, пари і конденсату і реєструючих параметри теплоносія для умов експлуатації, визначених Договором.

Теплолічильники повинні забезпечувати вимірювання теплової енергії гарячої води з відносною похибкою не більше:

5%, при різниці температур між подає і зворотним трубопроводами від 10 до 20 ° С;

4%, при різниці температур між подає і зворотним трубопроводами більше 20 ° С.

Теплолічильники повинні забезпечувати вимірювання теплової енергії гарячої пари з відносною похибкою не більше:

5%, в діапазоні витрати пари від 10 до 30%;

4%, в діапазоні витрати пари від 30 до 100%.

Водолічильники повинні забезпечувати вимірювання маси (обсягу) теплоносія з відносною похибкою не більше:

- 2% в діапазоні витрат води і конденсату від 4 до 100%.

Лічильники пари повинні забезпечувати вимірювання маси теплоносія з відносною похибкою не більше:

- 3% в діапазоні витрати пари від 10 до 100%.

Для приладу обліку, що реєструє температуру теплоносія, абсолютна похибка D t, ° С, вимірювання температури не повинні перевищувати значень, що визначаються за формулою:

D t = ± (0,6 + 0,004 * t),

де t температура теплоносія.

Прилади обліку, які реєструють тиск теплоносія, повинні забезпечувати вимірювання тиску з відносною похибкою не більше 2%.

Прилади обліку, які реєструють час, повинні забезпечувати вимірювання поточного часу з відносною похибкою не більше 0,1% [3].

Одним з тепловираховувача, який може знайти застосування в системі може стати Теплообчислювач Багатофункціональний Мікропроцесорний ТВМ-441.

Теплообчислювач багатофункціональний мікропроцесорний ТВМ-441 (надалі - Теплообчислювач) призначений для збору, обробки та реєстрації інформації про кількість отриманої споживачем або виробленої виробником теплової енергії, температуру, тиск, обсязі (масі) теплоносія і про час роботи у відкритих та закритих водяних системах теплопостачання при тисках до 1,6 МПА (16 кгсм2) і температурах до +150 ° С.

Область застосування - теплоенергетика, системи комерційного обліку витрати гарячої води і теплової енергії, автоматизовані систем збору і обробки даних тепло і водоспоживання.

Обладнаний енергонезалежним таймером реального часу і забезпечує обчислення наступних параметрів за заданою гідравлічній схемі:

- Маси теплоносія в трубопроводах систем теплопостачання;

- Різниця температур;

- Різниця тиску;

- Спожитої теплової енергії;

- Теплової потужності.

Виробляє діагностику датчиків, ліній зв'язку та напруги батареї (акумулятора), також контроль даних, що надходять від датчиків. Інформація про несправності архівується та зберігається в енергонезалежній пам'яті.

Настановні параметри тепловираховувача вводяться з клавіатури з обмеженою можливістю доступу, забезпечується висновок на рідкокристалічний індикатор необхідної інформації на вимогу, здійснюється встановлення необхідних параметрів за допомогою iButton фірми Dallas Semiconductor, забезпечується прийом необхідних параметрів і передача інформації за специфікацією RS485, RS232. Має можливість живлення від мережі змінного струму 220В 50Гц, забезпечує передачу необхідної інформації за допомогою iButton в комп'ютер, має можливість включення в інформаційну мережу з іншими тепловираховувача і комп'ютером по специфікації RS485, забезпечує роботу в автономному режимі (без зовнішнього джерела живлення).

Вимірювання температури:

(Для вимірювання різниці температур необхідно використовувати підібрані пари датчиків)

- Кількість вимірювальних каналів - 4;

- Тип температурних датчиків - термометри опору, градуювальні характеристики Pt100 або Pt500;

- Діапазон вимірювання температури - +1 ... +150 ° С;

- Абсолютна похибка вимірювання, не більше ± (0,2 +0,04 t) ° С;

- Абсолютна похибка вимірювання різниці температур - не більш ± 0.1 ° С;

- Схема включення датчика - 3-х провідна;

- Довжина лінії зв'язку до датчика, - не більше 100м.

Вимірювання витрати (маси) теплоносія:

- Кількість вимірювальних каналів - 4;

- Типи водолічильників (витратомірів) (вихідний сигнал - імпульсний) - Осві Ду 25 .. 40, ВМХ, ВМГ Ду 40 ... 300, ВЕПС-ТИ Ду 20 ... 200, ДНІПРО-7 Ду до 1600 і їм аналогічні;

- Діапазон вимірювання витрати (маси) - визначається типом водолічильника;

- Абсолютна похибка вимірювання - ± 1 імпульс;

- Довжина лінії зв'язку до датчика, не більше - 100м.

Вимірювання тиску теплоносія в трубопроводах:

- Кількість вимірювальних каналів - 1;

- Типи манометрів (вихідний сигнал 0-5мА, 0-20мА або 4-20мА) - САПФІР-22М, САПФІР-100, СТАРТ-400 і їм аналогічні;

- Діапазон вимірювання - 0 - 1,6 МПА;

- Відносна наведена похибка вимірювання вихідного сигналу, не більше - ± 0,5%;

- Довжина лінії зв'язку до датчика, не більше - 100м;

- Відносна наведена похибка, не більше - ± 0,01%.

Обчислення теплової енергії виробляється при різниці температур не менше 0,1 ° С.

Вимірювання параметрів і їх архівація проводиться з дискретністю за часом 1 год.

Час роботи тепловираховувача в автономному режимі не менше 1 року.

Теплообчислювач має кліматичне виконання УХЛ 4 по ГОСТ 15150. По стійкості до кліматичних дій - група виконання В4 по ГОСТ12997 і розрахований на експлуатацію при температурі навколишнього повітря від +1 до +50 ° С і відносній вологості не більше 95%.

Теплообчислювач має ступінь захисту IP65 за ДСТ 14254.

За стійкістю до механічних впливів Теплообчислювач відноситься до вібростійкість і вибропрочность виконання групи 1 по ГОСТ12997.

Теплообчислювач стійкий до впливу зовнішнього магнітного поля напруженістю до 400А / м, що змінюється синусоидально з частотою 50 Гц [4].

1.2. Завдання, які повинні вирішувати периферійні пристрої системи

На даний момент реалізації ТМС виконує функції телеізмеренія і телесигналізації. Проектована система є комплексом з трьох основних частин:

- Апаратних засобів (датчики, радіостанції, перетворювачі);

- Програмного забезпечення для комп'ютера;

- Математичного забезпечення, що містить правила і формули перетворення інформації.

Апаратно-програмний комплекс призначений для передачі значень контрольованих параметрів на значну відстань від об'єктів контролю. Основне завдання, яке вирішується при створенні телеізмерітельной апаратури, полягає в тому, щоб забезпечити можливість вимірювання як електричних, так і неелектричних параметрів з високим ступенем точності. З цією метою будь-яка вимірюється величина перетворюється в іншу, допоміжну величину, зручну для передачі по каналу зв'язку, яка не спотворювалася б каналом зв'язку, не залежала від дії перешкод і могла передаватися з мінімальною затратою енергії.

Система телесигналізації дозволяє на відстані стежити за роботою обладнання теплової насосної станції (стан насосів) або пунктом обліку, а також система повинна сповіщати диспетчера про аварійні ситуації, що виникають в тому чи іншому місці, так як обслуговуючий персонал відсутній.

Пристрої телесигналізації складаються з передавальної і приймальної апаратури та лінії зв'язку. Сигнали в цих пристроях передаються у вигляді окремих кодів і класифікуються за призначенням. У цій телемеханічної системі телеізмеренія застосовується для передачі сигналів службового призначення, виклику датчиків, впливу на налаштування автоматичних регуляторів.

1.3. Можливі шляхи вирішення завдань периферійними пристроями системи

У зв'язку з накладеними жорсткими обмеженнями на якість і оперативність передачі даних вимірювань параметрів, можливим шляхом вирішення перерахованих вище завдань буде застосування в якості основного передавального вузла однокристальної ЕОМ.

При отриманні сигналу з диспетчерського пункту на зчитування інформації з тепловираховувача, мікроЕОМ виробляє зчитування необхідних параметрів у свою пам'ять і після цього транслює їх за допомогою модему і радіостанції на диспетчерський пункт.

У такій схемі буде досягнута максимальна захищеність даних від спотворень при передачі всередині контролера, який в основному складається з однокристальної ЕОМ, яка, як видно з її назви, виконана на одному кристалі, і, отже, має дуже високу надійність.

2. Структурні рішення

2.1. Розробка функціональної структури

Функції системи визначаються, виходячи з необхідності операцій отримання, збору, передачі, обробки, зберігання реєстрації та надання інформації. Пояснимо деякі функціональні перетворення телемеханічної інформації.

Насосна станція являє собою контрольований пункт, на якому здійснюється отримання інформації наступного виду: попереджувальної та аварійної, про роботу устаткування, про значення температури теплоносія. Отримана інформація повинна бути перетворена в електричні сигнали, з подальшим перетворенням цих сигналів. Далі сигнали перетворяться для передачі їх по каналу зв'язку. Від кожної насосної станції по своєму каналу зв'язку сигнали передаються на диспетчерський пункт, де відбувається розшифровка сигналів, проводиться попередня обробка і перетворення інформації, яка надходить у комп'ютер. Результати обробки видаються на дисплей комп'ютера або принтер.

На пункті обліку теплової енергії інформація від датчиків телеізмеренія і телесигналізації надходить у перетворювачі інформації, в яких ця інформація перетворюється на нормалізовані електричні сигнали. Ці сигнали по провідних лініях зв'язку передаються на Теплообчислювач.

Теплообчислювач виробляючи математичні операції за заздалегідь відомим формулами для розрахунку кількості теплоти, об'єму (маси) теплоносія, за різницею тисків, температур і витраті теплоносія в подаючому і зворотному трубопроводах визначає необхідні параметри.

З тепловираховувача інформація байт за байтом надходить на контролер. Теплообчислювач здатний зберігати і передавати архів накопиченої інформації за 40 днів. В архіві зберігаються середньодобові значення параметрів. Існує режим передачі миттєвих параметрів системи контролю. Разом з миттєвими параметрами передаються середньогодинні значення.

До контролера також підключені датчик захисту від злому пункту обліку теплової енергії (охоронний), пожежної безпеки і датчик затоплення. При виявленні сигналу від одного з цих датчиків контролер зв'язується з диспетчерським пунктом і передає сигнал тривоги, за яким оператори повинні вжити відповідних заходів.

Далі контролер передає дані на модем, який у свою чергу кодує сигнали і передає їх на радіостанцію, яка, відповідно відправляє ці сигнали в ефір.

На диспетчерському пункті встановлена ​​радіостанція для обміну сигналами з пунктом обліку теплової енергії. Велику частину часу радіостанція на диспетчерському пункті знаходиться в режимі "прийом". При цьому постійно аналізується інформація, що отримується з ефіру. Інформація передається суцільним безперервним потоком байтів, причому на початку кожного циклу вимірювань вісім байт - ідентифікатор контролера, і вісім зарезервованих байт - "пароль".

Комп'ютер диспетчерського пункту організовує почерговий пунктів обліку теплової енергії, підключених до телемеханічної системі. Протягом декількох секунд комп'ютер здійснює обмін інформацією тільки з одного (вибраної ним) станцією. З причини того, що диспетчерський пункт об'єднаний з контрольованим пунктом, встановлюється ще пристрій введення інформації в комп'ютер, тому що тут телемеханічних інформація не буде передаватися по лінії зв'язку. Комп'ютер обробляє прийняту і видає отриману інформацію на екран монітора. Крім того, в пам'яті комп'ютера міститься вся інформація про роботу підключених до системи, насосних станцій протягом 24 годин.

2.2. Розробка технічної структури периферійного пристрою

Система для телемеханізації теплових насосних станцій являє собою комплекс, що складається з трьох частин: апаратних засобів (датчики, радіостанції, перетворювачі і т. д.), програмного забезпечення і контролерів, математичного забезпечення, що містить правила і формули перетворення інформації. Розглянемо докладніше на апаратних засобах.

2.2.1. Датчики

Датчики - це пристрої, призначені для безперервного перетворення вимірюваних параметрів в електричні сигнали, які можуть бути використані в системі для подальшого перетворення і передачі на відстань. Крім того, під датчиками будемо розуміти елементи приладів та технологічного устаткування, за допомогою яких може бути сформований електричний сигнал, що містить інформацію про передаварійному або аварійному значенні контрольованого параметра або яку-небудь іншу інформацію. При виборі датчиків враховуються наступні фактори:

- Допустиму для даної системи похибка, визначальну клас точності датчика;

- Інерційність датчика, що характеризується його постійної часу;

- Межі виміру, що перекривають діапазон можливих значень вимірюваного або контрольованого параметра;

- Вплив фізичних параметрів контрольованою і навколишнього середовища на нормальну роботу датчика;

- Відстань, на яке може бути передана інформація, що виробляється датчиком.

На пунктах обліку теплової енергії датчики розташовуються в залежності від особливостей технологічного обладнання того чи іншого пункту. Датчики можна згрупувати за видом вимірюваних параметрів.

2.2.1.1. Датчики вимірювання температури

Температура - найбільш важливий показник теплової насосної станції. Відповідно до технічного завдання система повинна забезпечувати вимірювання температури теплоносія у подаючому трубопроводі, а також у зворотному трубопроводі. Крім того, контроль перегріву підшипників насосів і електродвигунів також доцільно здійснювати шляхом вимірювання температури.

Найбільш поширені термопари, термоперетворювачі опору, напівпровідникові терморезистори, кремнієві (у тому числі і інтегральні) термодатчики. Для вимірювання температури теплоносія доцільно застосувати термоперетворювачі опору мідні типу ТСМ-6097. Також може бути застосований малогабаритний, малоінерційний терморезистор СТЗ-25, СТ-28, ТП-5, ПТР. Так як передбачається, що в насосній станції не буде обслуговуючого персоналу, то з метою підвищення надійності апаратно-програмного комплексу доцільний постійний контроль температури повітря в насосної. Для цього може бути обраний термометр опору мідний типу ТСМ-8006.

Терморезистор опору володіє наступними перевагами: забезпечує прийнятну лінійність, точність вимірювання до 0.1 ° С, діапазон вимірювань від - 200 ° С до + 600 ° С, коефіцієнт перетворення Кпр = 0.1 ... 10 мс. Однак термометри опору вимагають багатьох елементів сполучення, високоякісну лінію зв'язку. Крім того, вони мають значні габарити, масу, інерційність. При застосуванні будь-якого термодатчика необхідно в комплекті з них застосовувати проміжний перетворювач, призначений для перетворення сигналу термодатчика в уніфікований сигнал постійного струму 0-5 мА або напруга 10В. Принцип дії перетворювача заснований на статичній автокомпенсація. Сигнал від термометра надходить на вимірювальний міст і далі на вхідний підсилювач, виконаний за схемою модулятор-демодулятор. Демодульованого сигнал посилюється вихідним підсилювачем постійного струму, вихідний сигнал якого надходить на навантаження і пристрій зворотного зв'язку. Вхідні і вихідні ланцюги не мають гальванічного зв'язку з ланцюгами харчування і між собою.

Всі типи перетворювачів є одноканальними, тобто для кожного термометра повинна використовуватися свій перетворювач. Кращі характеристики має перетворювач типу Ш705: основна похибка - 0.5-1.12%, опір ліній зв'язку з термоперетворювачем - 10 Ом, споживана потужність - 11В, швидкодія -0.5 с, габаритні розміри - 60 * 160 * 350, маса - 3.5 кг. Отже, його застосування в телемеханічної системі найбільш ефективно.

2.2.1.2. Датчики для вимірювання тиску

Тиск - параметр, який характеризує протікання процесів на ТНС. При виборі датчиків тиску керуються вимогою перетворення величини тиску в уніфікований вихідний сигнал. Існує кілька різних типів датчиків:

- Датчики тиску з мембранами (прогини мембрани перетворюються на зміни опору резистора або у зміну індуктивності обмоток вихідного перетворювача);

- Датчики тиску з мембранами і п'єзоелементом (виникнення електричних зарядів на робочих гранях пьезоелемента при додатку до нього тиску);

- Датчики тиску з мембранами і тензометричними перетворювачами (тиск, прикладена до мембрани, перетворюється у зміну опору тензоелемента);

- Ємнісні датчики тиску (тиск, прикладена до мембрани, перетворюється у зміну опору тензоелемента);

- Датчики тиску з манометричним трубчастими пружинами. Порівняльний аналіз датчиків тиску з різними принципами дії показав, що найбільш доцільно в телемеханічної системі застосувати датчики тиску типу Сапфир-22ДІ, принцип дії якого базується на прогині металевої мембрани (чутливий елемент), який спочатку перетворюється у зміну опору потенціометра, а потім останнє - в струм на виході датчика.

2.2.1.3. Датчик пожежної сигналізації

В даний час використовуються системи автоматичного виявлення пожежі за трьома факторами: тепла, диму, полум'я. Найбільш поширені теплові пожежні сповіщувачі наступних типів:

- Максимального дії, що спрацьовують при перевищенні температурою розрахункової величини;

- Максимально-диференційні, об'єднуючі властивості сповіщувачів максимального і диференціального типів;

- Диференціальні, що реагують на швидке підвищення температури.

Всі існуючі теплові сповіщувачі виявляють пожежа, коли він досягає значних розмірів. Час виявлення пожежі дозволяє знизити використання пожежних сповіщувачів, що формують сигнал пожежної тривоги при появі пульсації температури конвективного потоку над осередком пожежі. Такий сповіщувач відповідає таким вимогам: реагує на змінну складову коливань температури в певному частотному діапазоні, не видає сигналів тривоги при дії чинників, що заважають, створюваних роботою обладнання. Для підвищення надійності системи пожежної сигналізації в телемеханічної системі встановлені додаткові датчики диму.

2.2.1.4. Датчики охоронної сигналізації

Повинні забезпечувати недоторканність пункту обліку теплової енергії. Можливе застосування наступних систем охорони: шлейфові типу, на базі інфрачервоних світлових передавачів та приймачів, на базі радіохвиль, на базі ультразвуку. Найбільш проста і дешева система шлейфові типу. У ній використовуються замикає або розмикає електричні контакти, тобто електричний ланцюг замикається або розмикається механічним способом. Шлейф утворюється зі смужок свинцевої фольги, що наклеюється по периметру замкнутого простору, в якому знаходиться пункт обліку теплової енергії. Шлейф з'єднується з перетворювачем охоронної сигналізації. При обриві шлейфу на виході перетворювача охоронної сигналізації з'являється сигнал тривоги, що надходить у передавальну апаратуру ТМС для передачі сигналу на диспетчерський пункт. До складу системи охоронної сигналізації введений вимикач входу-виходу, що призводить до затримки на кілька секунд у дії системи і дозволяє входити і виходити з об'єкту, що охороняється, не викликаючи сигналу тривоги. Сигнал тривоги, що надійшов на диспетчерський пункт з об'єкту, що охороняється, може скасувати тільки прибув на теплову насосну станцію обслуговуючий персонал.

2.2.1.5. Датчики для сигналізації затоплення приямка мережевих труб

Можливе застосування двох варіантів датчиків: поплавкового і реле рівня. В даний час існують поплавкові датчики заводського виготовлення, наприклад, датчик рівня РВ-1. Можливе налаштування на чотири значення рівня води. Реле рівня засноване на замиканні контакту при зіткненні з рідиною. Існують наступні видів таких реле: РІС-101-011, РІС-101011І, РІС-сто одна тисяча двадцять-один, РМ-51.

Для контролю за цим параметром ефективним буде використання датчика з контактними електродами (реле рівня), так як він простий, дешевий і надійний.

2.2.2. Лінії зв'язку

Для передачі телемеханічних сигналів кожен комплект телемеханічної апаратури пункту обліку теплової енергії повинен з'єднуватися з апаратурою ДП лінією зв'язку того чи іншого виду. До складу каналу зв'язку входять кодують і декодер апаратура, формувач канальних сигналів, модулятор і демодулятор, а також лінія зв'язку. Таке узагальнене уявлення тракту передачі інформації дозволяє розглядати різні моделі каналів зв'язку з урахуванням діючих перешкод, представляти властивості або характеристики каналів певними функціональними залежностями, які враховують інформаційні співвідношення між вхідним і вихідним множинами сигналів.

Лінії зв'язку є основним, найбільш характерним і визначальною ланкою системи передачі інформації. Від її стану, насамперед, залежить надійність дії всієї ТМС в цілому. Властивості, параметри та характеристики лінії зв'язку, а також їх стабільність в часі та при зміні зовнішніх умов визначають енергетичні вимоги, які пред'являються до сигналу, впливають на його формування та на використовувані методи передачі, на принципи побудови схемних рішень приемопередающей апаратури.

Всі лінії зв'язку можна розділити на два великі класи: провідні та безпровідні. Провідні лінії по виконанню поділяють на повітряні та кабельні. Для кабельних ліній зв `язку застосовують спеціальної конструкції систему металевих дротів - кабель, в яку входять крім різного числа пар проводів з відповідними скрутками їх в четвірки і об'єднанням в повив, додаткові засоби підвищення механічної та електричної міцності: спеціальна ізоляція, екрани, різні покриття. Для дротових ліній властивий електричний процес (рух вільних електронів), який використовується як переносник. Спорудження провідних ліній вимагає витрат, переважаючих в більшості випадків витрати на апаратуру телемеханіки.

Бездротові лінії зв'язку, як природно існуючі фізичні середовища, підрозділяють на радіо і гідравлічні лінії. Радіоліній, для якої характерний процес розповсюдження електромагнітних хвиль, прийнято називати навколоземний і космічний простір. Реально використовуваний діапазон частот для випромінювання електромагнітної енергії визначається частотами 3 * 10 -3 * 10 Гц. В останні роки були створені генератори оптичного випромінювання - лазери, що збуджують електромагнітні коливання з частотами від 3 * 10 - 3 * 10 Гц. Існуюча специфіка випромінювання в цьому діапазоні зумовила його виділення в так звану оптичну лінію зв'язку. В даний час широко поширені такі види ліній зв'язку:

- Повітряні або кабельні провідні лінії;

- Радіолінії;

- Лінії енергопостачання, які використовуються для організації каналів зв'язку телемеханічної системи;

- Канали зв'язку, що організовуються на лініях міської телефонної мережі (ГТС);

- Оптичні лінії зв'язку.

Загальною вимогою, що пред'являються до каналів зв'язку, є забезпечення максимальної швидкості передачі повідомлень при мінімальних перекручування, що викликаються несправностями апаратури та впливом перешкод [5].

Розглянемо лінії зв'язку щодо їх застосування в проектованої телемеханічної системі.

Провідні лінії зв'язку. Спорудження повітряних провідних ліній зв'язку в умовах великого міста практично здійснити неможливо. Прокладання кабельних ліній зв'язку зажадає численних погодження з власниками численних комунікацій міста. При експлуатації провідних ліній зв'язку висока вірогідність їх пошкодження. Крім того, вартість як повітряної, так і кабельної лінії зв'язку, при сучасних цінах на матеріали та будівельно-монтажні роботи, була б надмірно високою. Тому, навіть враховуючи те, що повітряні і кабельні лінії відповідають критерію ефективності, їх використання в існуючих умовах недоцільно.

Радіолінії. В даний час радіолінії - один з найпоширеніших видів зв'язку, використовуваний для передачі сигналів різного призначення і характеру. Характеристики радіолінії, в першу чергу, визначаються значеннями частот (довжинами хвиль), вибраними для організації радіоканалів. Найбільш важливе значення мають локальність зв'язку, надійність передачі сигналів, завадостійкість. Локальність зв'язку полягає в тому, щоб система, що працює на даній радіолінії, не чинила впливу на всі сторонні приймачі, а передавачі цих сторонніх систем не повинні впливати на приймачі даної системи. Цим вимогам найкраще задовольняє ультразвукової діапазон (УКВ). До цього діапазону відносять електромагнітні хвилі, довжина яких менше 10 метрів. Застосування УКХ з метою зв'язку пояснюється наступними чинниками:

1) діапазон УКВ дуже широкий. У цьому діапазоні, не враховуючи міліметрових хвиль, можна без взаємних перешкод розмістити понад 10000 систем по 600 каналів в кожній;

2) зв'язок на УКВ відрізняється високою стійкістю і надійністю, а також відсутністю атмосферних і промислових перешкод;

3) потужність передавачів УКХ може бути невеликою, оскільки антенні пристрої цього діапазону мають порівняно невеликі розміри і виконуються остронаправленним.

Лінії електропостачання, що використовуються для організації каналів зв'язку ТМС. Високовольтні лінії електропередач (ЛЕП) і розподільні електричні мережі (РЕМ) використовуються в деяких ТМС як ліній зв'язку. У цьому випадку передача телемеханічної інформації здійснюється високочастотними сигналами, тобто на ЛЕП і РЕЗ організується високочастотний канал зв'язку (на частотах тисяч і десятків тисяч Гц). Застосування високочастотних каналів телемеханіки на ЛЕП та РЕЗ дає великий економічний ефект, оскільки відпадає необхідність у спорудженні власної лінії зв'язку.

Шляхом застосування високочастотних перемичок, що забезпечують обхід силових трансформаторів, в одній системі можуть використовуватися одночасно як ЛЕП, так і РЕЗ. Такі лінії, побудовані відповідно з вимогами до подібних споруд, мають високу електричну і механічну міцність, що обумовлює надійність тракту передачі телемеханічних сигналів. Для організації високочастотної лінії зв'язку на ЛЕП та РЕЗ використовується дорогий набір технічних засобів: апаратура приєднання, високочастотні загороджувачі, високочастотні перемички - для обходу силових трансформаторів.

Структура ЛЕП і РЕЗ Сонячного і Приволзького мікрорайонів характеризується високою розгалуженістю і численними споживачами, що призвело б до необхідності застосування великої кількості технічних засобів організації високочастотної лінії зв'язку, а, отже, до високої вартості спорудження та експлуатації цих ліній. Слід зазначити, що обслуговування каналу зв'язку ускладнюється високими напругами ЛЕП і РЕЗ. На підставі цього можна зробити висновок про нераціональність використання таких ліній зв'язку в даній телемеханічної системі.

Канали зв'язку, що організовуються на лініях міської телефонної мережі. Можливі два способи організації каналів зв'язку на лініях ГТС. Перший спосіб полягає у використанні в системі некомутованих телефонних пар в телефонних кабелях, тобто пар, на тривалий час закріплених за телемеханічної системою. Другий спосіб грунтується на поєднанні комутованих ліній, тобто з'єднання двох абонентів відбувається як при звичайному наборі телефонного номера.

Проаналізуємо обидва способи:

1) використання некомутованих пар в телефонних кабелях. У цьому випадку пари жив постійно з'єднують контрольовану теплову насосну станцію з диспетчерським пунктом. У тому випадку, якщо КП і ДП можуть бути підключені один до одного через одну або кілька АТС, то на цих АТС повинні бути встановлені постійні перемички, що з'єднують відповідні жили між собою. Виділені пари проводів в кабелях ГТС використовують тільки в телемеханіці теплових мереж. Використання проводів кабелів ГТС є ефективним способом організації каналу зв'язку для даної ТМС з наступних причин: виключається необхідність в капітальних витратах на спорудження або організацію ліній зв'язку, а також знімається питання про підтримку лінії зв'язку в працездатному стані;

2) використання комутованих пар. У цьому випадку додаткові пари не потрібні, і система телемеханіки використовує ті телефонні пари, які введені в ТНС для телефонного зв'язку. У цьому випадку телемеханічних апаратура насосної станції для передачі інформації на ДП через ГТС організовує з'єднання двох пунктів: ДП і КП. Якщо з'єднання відбулося, то телемеханічних інформація передається. Гідність: немає необхідності в додатково постійно виділених комутованих парах. Недолік: передача інформації повністю залежить від швидкості з'єднання двох пунктів. У принципі, застосування комутованих пар можливо.

Оптичні лінії зв'язку. У цьому випадку передача інформації здійснюється світловим променем. Може використовуватися передає середу двох видів: атмосфера або оптоволоконний кабель. Для оптичних ліній, що використовують атмосферу, характерні:

- Висока вартість апаратури для організації каналу;

- Значні експлуатаційні витрати;

- Залежність характеристик оптичного каналу від ряду випадкових факторів.

Використання оптоволоконного кабелю пов'язане з великими витратами на його придбання, труднощами з прокладкою в умовах великого міста, вартістю приемопередающей апаратури, високою ймовірністю пошкодження кабелю. Використання оптичної лінії зв'язку в проектованої ТМС не раціонально.

У даній ТМС застосовані радіолінії в діапазоні УКХ частот. Так як відстань між КП і ДП невеликі, то передбачається застосувати станцію, яка дальність передачі сигналів до 15 кілометрів. Цій вимозі задовольняє радіостанція "Льон", що виготовляється в Білорусії. Її дальність передачі становить 10 кілометрів.

2.2.3. Модем

Модем призначений для перетворення послідовного цифрового коду в частотно-маніпульованих сигнал (і назад), придатний для передачі по фізичному каналу на значну відстань. Модем працює над перетворенням послідовного цифрового коду в частотно-маніпульованих сигнал або частотно-маніпульованого сигналу в послідовний цифровий код в залежності від того, в який бік ідуть дані. Якщо дані приходять в модем з фізичної лінії, то йде процес перетворення частотно-маніпульованого сигналу в послідовний цифровий код, тобто демодуляція. Якщо модем сам передає дані в лінію, то йде процес перетворення послідовного цифрового коду в частотно-маніпульованих сигнал, тобто модуляція.

Модеми підрозділяються за швидкістю модуляції-демодуляції. Сучасні модеми здатні передавати і приймати дані зі швидкістю 56,6 Кб / сек [6].

У даному проекті така висока швидкість не потрібна, тому що передається відносно малий обсяг інформації, до того ж вартість високошвидкісних модемів велика, тому використовується модем зі швидкістю обміну даними 2400 байт / сек.

2.3. Структурні рішення по програмному забезпеченню периферійного пристрою

Периферійний пристрій (контролер) містить у собі однокристальних ЕОМ, яка має свій внутрішній мову асемблер. На цій мові реалізовано програмне забезпечення для контролера. Це програмне забезпечення дозволяє за сигналом з диспетчерського пункту зчитувати дані з тепловираховувача і направляти їх на модем, який генерує імпульси і посилає їх на радіостанцію. У разі пожежі, злому або затоплення пункту обліку теплової енергії, контролер отримує відповідний сигнал і виробляє з'єднання з диспетчерським пунктом, і повідомляє про аварію.

На диспетчерському пункті знаходиться комп'ютер, через який виробляється стеження за параметрами на пунктах обліку теплової енергії. На комп'ютері є програма написана на мові високого рівня, яка забезпечує оператору інтерактивний інтерфейс з периферійним пристроєм і дозволяє посилати контролеру різні команди. Програма містить у собі математичний апарат для розрахунку, обліку, архівування та зберігання необхідних параметрів.

3. Розробка периферійного пристрою

3.1. Вибір елементної бази

В даний час стрімко розвивається мікроелектроніка та мікропроцесорні системи. У цих областях, як ні в яких інших, знаходять своє широке застосування високі технології, швидше за все впроваджуються нові технічні рішення, нові технології, зростає потужність обчислювальних елементів з одночасним зменшенням їх розмірів. Для даного проекту було обрано одне з таких рішень - мікроконтролер AT90S1200, фірми Atmel. Нижче я постараюся навести докази правильності свого вибору.

Логотип фірми Atmel в даний час вже досить добре відомий російським технічним фахівцям у галузі мікроелектроніки. Заснована в 1984 році, фірма Atmel Corp., США, визначила сфери додатків для своєї продукції як телекомунікації та мережі, обчислювальну техніку та комп'ютери, що вбудовуються системи контролю та управління, побутову техніку і автомобілебудування. Atmel сьогодні - це прогресивна компанія, що випускає складні вироби сучасної мікроелектроніки; це один з визнаних світових лідерів у виробництві широкого спектру пристроїв енергонезалежній пам'яті високої швидкодії та мінімального питомого енергоспоживання, мікроконтролерів загального призначення і мікросхем програмованої логіки від найпростіших пристроїв PAL і GAL до мікросхем НВІС CPLD і FPGA. Досить сказати, що практично всі базові кристали промислового стандарту MCS51 фірми Intel успішно замінені прямими аналогами сімейства AT89 фірми Atmel. Ці швидкісні, повністю статичні 8-розрядні КМОП мікроконтролери з багаторазово модифікується Flash-пам'яттю програм, низьким енергоспоживанням і широким діапазоном допустимих напруг живлення, апаратно та програмно сумісні з відповідними мікроконтролера Intel і користуються заслуженою популярністю у розробників і виробників електронної апаратури.

Проте, хочеться детальніше познайомитися з ще одним надзвичайно цікавим напрямком сучасної мікроелектроніки, активно розвиває фірмою Atmel. Це нове сімейство високопродуктивних 8-розрядних RISC (Reduced Instruction Set Computers) мікроконтролерів загального призначення, об'єднаних загальною маркою AVR [7].

Задум створення AVR народився в дослідницькому центрі Atmel в Норвегії. Група розробників (ініціали деяких з них, до речі, і сформували марку "AVR": Alf Bogen / Vergard Wollan / Risc architecture) запропонувала ряд ідей, які лягли в основу концепції AVR - мікроконтролерів:

1) використовувати новітню, найбільш швидкісну і економічну КМОП технологію фірми Atmel в поєднанні з RISC архітектурою для розробки і виробництва швидких 8 - розрядних мікроконтролерів, порівнянних з 16-розрядними мікропроцесорами і мікроконтролерами по продуктивності і переважаючих мікросхеми стандартної КМОП логіки за швидкістю. Очікувана продуктивність - до 20 MIPS на частоті 20 МГц, що всього на 30% менше, ніж у Intel KU80386EXTC-25 при операціях типу "регістр - регістр". Час виконання короткої команди на такій тактовій частоті становить 50 нс;

2) розробляти архітектуру і систему команд AVR у найтіснішому згоді з принципами мови Сі так, щоб апаратна частина нового мікроконтролера і його система команд були невід'ємними частинами одного цілого і використовувалися з максимальним к.к.д. Добре відомо, що в 1990-і роки мови програмування високого рівня стали стандартним інструментом при створенні програмного забезпечення для вбудованих мікроконтролерів. Істотно скорочується час розробки проектів і, відповідно, знижується їх вартість, а також полегшується створення універсальних засобів підтримки розробок. Недалеким від істини буде і твердження, що мова Сі є найбільш популярним та ефективним засобом для програмування мікроконтролерів. Система команд AVR розроблялася за безпосередньої участі експертів з мови Сі і враховує всі основні особливості стандарту ANSI C. Результат очевидний: компіляція вихідних текстів, написаних на Сі, здійснюється швидко і дає компактний, ефективний код. Звичайно, можна працювати і на Асемблері для ще більшого виграшу щільності упаковки кінцевого програмного коду, але тепер у розробника є розумна альтернатива;

3) функціонально розширити мікроконтроллер можливістю програмування в системі (ISP) шляхом об'єднання Flash-технології фірми Atmel зі стандартним швидкісним послідовним інтерфейсом (SPI). Це дозволяє багаторазово змінювати програму не тільки за допомогою звичайного програматора, але і безпосередньо в системі, в кінцевому пристрої користувача. При цьому не потрібно вводити ніяких додаткових апаратних вузлів і допоміжних джерел живлення.

Результатом стала поява нового, дуже дешевого, швидкісного, легені в освоєнні і використанні сімейства AT90S 8-розрядних мікроконтролерів марки AVR. Вони представляють собою потужний інструмент, базу для створення сучасних високопродуктивних і економічних контролерів багатоцільового призначення. Так, наприклад, AVR використовуються у виробах класу Smart Card для персональних комп'ютерів, у супутникових навігаційних системах для визначення місця розташування автомобілів на трасі, в мініатюрних автомобільних пультах дистанційного управління, в мережевих картах і на материнських платах комп'ютерів, в стільникових телефонах нового покоління і т. д.

Що ж являє собою мікроконтролер AT90S1200? Як він влаштований і яка його архітектура? Почнемо знайомство з апаратних можливостей:

- Діапазон напруг живлення, В - 2,7 - 6,0;

- Тактова частота, МГц - 0-16;

- Кількість ліній вводу / виводу (max) - 15;

- Кількість інструкцій - 89;

- Обсяг Flash ROM, байт - 1К;

- Обсяг EEPROM, байт - 64;

- Кількість таймерів / лічильників - 1;

- Аналоговий компаратор - є;

- SPI (завантаження ROM і EEPROM) - є;

- Сторожовий таймер - є;

- Кількість бітів захисту - 2;

- Кількість режимів енергозбереження - 2;

- Число джерел переривання: внутрішніх / зовнішніх - 2 / 1;

- Тип корпусу - DIP28, SOIC28, SSOP28.

AT90S1200 мають Flash-пам'ять програм ROM об'ємом 1K, яка може бути завантажена як за допомогою звичайного програматора, так і за допомогою SPI інтерфейсу. Число циклів перезапису ROM - не менше 1000. Два програмованих біта секретності дозволяють захистити пам'ять програм від несанкціонованого зчитування. AT90S1200 мають також блок енергонезалежної електрично зтирається пам'яті даних EEPROM об'ємом 64 байта. Цей тип пам'яті, доступний програмі мікроконтролера безпосередньо в ході її виконання, зручний для зберігання проміжних даних, різних констант, таблиць перекодування, калібрувальних коефіцієнтів і т.п. EEPROM може бути завантажена ззовні як через SPI інтерфейс, так і за допомогою звичайного програматора. Число циклів перезапису - не менше 100000.

Перерахуємо периферійні пристрої AVR:

- Таймер / лічильник, розрядність 8 біт;

- Швидкісний послідовний інтерфейс SPI;

- Вбудована система скидання мікроконтролера;

- Асинхронний дуплексний послідовний порт UART;

- Контролер переривань;

- Внутрішній тактовий генератор;

- Сторожовий (WATCHDOG) таймер.

Внутрішній тактовий генератор може запускатися від зовнішнього джерела опорної частоти, від зовнішнього кварцового резонатора або від внутрішньої RC-ланцюжка. Оскільки всі AVR повністю статичні, мінімальна допустима частота нічим не обмежена (аж до покрокового режиму). Максимальна робоча частота визначається конкретним типом мікроконтролера. Обмеження верхньої межі частотного діапазону пов'язані з технологічними проблемами при виробництві мікросхем і будуть усунені в подальших версіях кристалів. В даний час контролер AT90S1200 версії "F" може працювати на частоті 16 МГц при кімнатній температурі, а обмеження 12 МГц діє в усьому температурному діапазоні [7].

Якщо времязадающих елементом для тактового генератора AVR є внутрішня RC-ланцюжок, то частота, на якій працює мікроконтроллер, фіксована і складає 1 МГц. Це значення наближене і змінюється в залежності від величини напруги живлення і температури корпусу. Вибір джерела тактової частоти (внутрішній / зовнішній) програмується, правда тільки за допомогою зовнішнього програматора. Як правило, AVR поставляються з фабрики вже "випеченими" для роботи від зовнішнього джерела опорної частоти, але можна замовити та інші. При цьому в абревіатурі мікроконтролера з'являється літера "A", яка вказує на те, що тактовий генератор даного кристала функціонує від вбудованої RC-ланцюжка, наприклад, AT90S1200A-12PC. Запрограмувати мікроконтролер AT90S1200 на роботу від внутрішнього RC-генератора через послідовний порт SPI неможливо.

Сторожовий таймер призначений для захисту мікроконтролера від збоїв у процесі роботи. Він має свій власний RC-генератор, що працює на частоті 1 МГц. Як і для основного внутрішнього RC-генератора, значення 1 МГц є наближеним і залежить насамперед від величини напруги живлення мікроконтролера і від температури.

Порти введення / виводу AVR мають число незалежних ліній "Вхід / Вихід" від 5 до 32. Кожен розряд будь-якого порту може бути запрограмований на введення або на виведення інформації. Потужні вихідні драйвери забезпечують типову струмовий навантажувальну здатність 20 мА на лінію порту (що втікають струм) при максимальному значенні 40 мА, що дозволяє, наприклад, безпосередньо підключати до мікроконтролера світлодіоди і біполярні транзистори. Загальна струмова навантаження на всі лінії одного порту не повинна перевищувати 80 мА. Всі значення наведені для напруги живлення 5В.

AVR працюють в широкому діапазоні живлячої напруги від 2,7 В до 6,0 В. Струм споживання в активному режимі залежить від величини напруги живлення і частоти, на якій працює мікроконтролер, і становить менше 1 мА для 500 кГц, 5 ... 6 ма для 5МГц і 8 ... 9 мА для частоти 12 МГц. AVR також можуть бути переведені програмним шляхом в один з двох режимів зниженого енергоспоживання. Перший - режим холостого ходу (IDLE), коли припиняє роботу тільки процесор і фіксується вміст пам'яті даних, а внутрішній генератор синхросигналов, таймери, система переривань і сторожовий таймер продовжують функціонувати. Струм споживання тут не перевищує 2,5 мА на частоті 12 Мгц. Другий - режим мікропотребленія (SLEEP), коли зберігається вміст реєстрового файлу, але зупиняється внутрішній генератор синхросигналов. Вихід з режиму SLEEP можливий або за сигналом скидання, або від зовнішнього джерела переривання. При включеному сторожовому таймері струм споживання в цьому режимі складає близько 80 мкА, а при вимкненому - менш 1мкА. (Всі вищенаведені значення справедливі для напруги живлення 5 В).

Температурні діапазони роботи мікроконтролерів AVR - комерційний (0 ... 70С) і індустріальний (-40 ... +85 С).

З точки зору програміста AVR являє собою 8-розрядний RISC мікроконтролер, що має швидкий Гарвардський процесор, пам'ять програм, пам'ять даних, порти вводу / виводу та інтерфейсні схеми.

Гарвардська архітектура AVR реалізує повне логічне та фізичне поділ не тільки адресних просторів, а й інформаційних шин для звернення до пам'яті програм і до пам'яті даних. Способи адресації і доступу до них також різні. Така побудова вже ближче до структури швидкісних цифрових сигнальних процесорів і забезпечує суттєве підвищення продуктивності за рахунок:

а) одночасної роботи центрального процесора як з пам'яттю програм, так і з пам'яттю даних;

б) розширення до 16 біт розрядної сітки шини даних пам'яті програм. Наступним кроком на шляху збільшення швидкодії AVR є використання технології конвеєризації, внаслідок чого цикл "вибірка - виконання" команди може бути помітно скорочений, підвищуючи тим самим продуктивність процесора. Наприклад, у мікроконтролерів сімейства MCS51 коротка команда виконується за 12 тактів генератора (1 машинний цикл), протягом якого процесор послідовно зчитує код операції та виконує її. У PIC-контролерах фірми Microchip вже реалізована конвеєрна обробка. Коротка команда виконується у них протягом 8 періодів тактової частоти (2 машинних циклу). За цей час послідовно дешифрує і зчитується код операції, виконується команда, фіксується результат і одночасно зчитується код наступної операції (конвеєр). Тому одна коротка команда в загальному потоці реалізується за 4 періоду тактової частоти або за один машинний цикл. У мікроконтролерах AVR теж використовується однорівневий конвеєр при зверненні до пам'яті програм і коротка команда в загальному потоці виконується, як і в PIC-контролерах, за один машинний цикл. Головна ж відмінність полягає в тому, що цей цикл у AVR триває всього один період тактової частоти в порівнянні з чотирма у PIC.

Наступна характерна риса архітектури мікроконтролерів AVR-регістровий файл швидкого доступу. Кожен з 32-х регістрів загального призначення довжиною 1 байт безпосередньо з'єднаний з арифметико-логічним пристроєм (ALU) процесора. Це означає, що в AVR існує 32 регістра-акумулятора. Це дозволяє в поєднанні з конвеєрною обробкою виконувати одну операцію в ALU за один машинний цикл. Наприклад, два операнди витягуються з реєстрового файлу, виконується команда і результат записується назад у регістровий файл протягом тільки одного машинного циклу!

Шість із 32-х регістрів файлу можуть використовуватися як три 16-розрядних покажчика адреси при непрямій адресації даних. Один з цих покажчиків застосовується також для доступу до таблиць перекодування, записаних в пам'яті програм мікроконтролера. Використання трьох 16-бітових покажчиків істотно підвищує швидкість пересилання даних при роботі прикладної програми.

Під час переходів до виконання процедур обробки переривань або підпрограм поточний стан програмного лічильника зберігається в стеку. Тільки у AT90S1200 стек реалізований апаратно з глибиною вкладень, що дорівнює 3. У всіх інших типах AVR мікроконтролерів стек формується програмно і розташовується в загальному адресному просторі оперативної пам'яті даних. 16-розрядний покажчик стека перебуває в загальному адресному просторі оперативної пам'яті і доступний для читання і запису.

Система команд AVR вельми розвинена і налічує 89 різних інструкцій. Майже всі команди мають фіксовану довжину в одне слово (16 біт), що дозволяє в більшості випадків об'єднувати в одній команді і код операції, і операнд (и). Розрізняють п'ять груп команд AVR: умовного розгалуження, безумовного розгалуження, арифметичні і логічні операції, команди пересилання даних, команди роботи з бітами. За різноманітністю та кількістю реалізованих інструкцій AVR більше схожі на CISC, ніж на RISC процесори. Наприклад, у PIC-контролерів система команд налічує від 33 до 58 різних інструкцій, а у MCS51 вона становить 111.

У цілому, архітектура AVR у поєднанні з реєстрових файлом і розширеною системою команд дозволяє в короткі строки створювати програми з дуже ефективним кодом як за швидкістю його виконання, так і по компактності.

Наше коротке знайомство з новим мікроконтролерних сімейством було б неповним, якщо не згадати про наявних засобах підтримки розробок для AVR. Програмні та апаратні засоби для нової платформи розроблялися паралельно з самими мікроконтролера і включають в себе компілятори, внутрішньосхемного емулятори, відладчики, програматори, найпростіші налагодження плати-конструктори практично на будь-який смак.

Підводячи підсумок всьому вищесказаному, хочеться вірити, що я як розробник навів переконливі аргументи на користь обраної мною елементної бази. Багато вітчизняні фахівці вже оцінили високу швидкість роботи і потужну систему команд AVR, наявність двох типів енергонезалежній пам'яті на одному кристалі і розвивається периферію. Важливу роль у цьому зіграла й відкрита політика Atmel в питанні розвитку різноманітних, доступних засобів підтримки розробок. Це дозволяє розробникам та виробникам електронної техніки сподіватися на збереження повноцінної підтримки для перспективної лінії AVR і в майбутньому, закладаючи мікроконтролери сімейства AT90S у свої нові вироби. У поєднанні з усіма апаратними та програмними достоїнствами низька ціна на мікроконтроллер стала вирішальним чинником у виборі оного.

3.2. Розробка принципової схеми контролера

Плата контролера складається з 2 роз'ємів, 5 мікросхем MAX 232 (DD1.. DD5) - мікросхем перетворення сигналів ТТЛ рівня в сигнали рівня інтерфейсу RS-232 і навпаки і мікроконтролера AT90S1200 (DD6).

Сигнали з модему надходять на роз'єм Х1 контролера. Після цього вони надходять на одну з мікросхем перетворення сигналів ТТЛ рівня в сигнали рівня інтерфейсу RS-232, а потім на мікроконтроллер DD6, де проходять подальшу обробку. У залежності від того яка команда прийде в мікроконтроллер DD6, може бути проведено або запис, або читання по заданій адресі. Теж саме відбувається і з боку тепловираховувача: мікроконтроллер обмінюється командами з тепловираховувача через одну з мікросхем DD4 .. DD5, тому що Теплообчислювач сполучається з іншими пристроями по інтерфейсу RS-232, а мікроконтроллер працює з сигналами ТТЛ рівня.

До мікроконтролеру також приходять сигнали від датчиків пожежі, затоплення та від охоронного датчика. За сигналами від цих датчиків відбувається автоматичний дозвон до диспетчерського пункту та видається відповідне повідомлення на дисплей диспетчеру, який повинен вжити заходів щодо усунення причин, що викликали цей сигнал.

3.3. Проектування друкованої плати контролера

3.3.1. Визначення загальних вимог до друкованої плати

По конструкції друковані плати (ДП) діляться на наступні типи: односторонні (ОПП), двосторонні (ДПП) і багатошарові (МПП). При виборі типу ПП для розроблювальної конструкції слід враховувати техніко-економічні показники.

ОПП є діелектричне підстава з отворами, пазами, вирізами і т. п., на одній стороні якого виконаний проводить малюнок, а на інший при складанні розміщують інтегральні мікросхеми (ІМС) і електрорадіоелементи (ЕР-Е).

У зв'язку з обмеженою площею для трасування малюнка схеми такі ПП застосовують для простих електронних пристроїв побутового та допоміжного призначення. Найбільш прості по конструкції і дешеві у виготовленні ОПП без металізованих отворів. Більш складні, але і більш надійні в експлуатації плати з металізованими за допомогою пістонів отворами.

ДПП мають проводить малюнок на обох сторонах діелектричного підстави. Необхідні з'єднання друкованих провідників різних сторін ДПП виконують за допомогою дротяних перемичок, металізованих отворів, контактних майданчиків. Такі плати дозволяють реалізувати більш складні схеми і мають найбільш широке застосування при виготовленні вузлів електронних схем. Менш поширені ДПП на металевому підставі з нанесеним на нього електроізоляційним покриттям мають кращий тепловідвід, що істотно при великій потужності навісних елементів.

МПП складаються з шарів, що чергуються ізоляційного матеріалу і проводить малюнка. Між провідними верствами в структурі плат можуть бути або відсутні міжшарові з'єднання. Існує досить велика різноманітність конструктивно-технологічних різновидів МПП в залежності від наявності та характеру міжшарових сполук. Найбільшого поширення серед них отримали МПП з металізацією наскрізних отворів, які не мають обмеження на кількість шарів (оптимальне число до 12) і придатні для установки елементів як з штирові, так і з планарними висновками. Перевагу використання МПП цього типу обумовлена ​​порівняно високою щільністю монтажу, гарною якістю міжшарових сполук, задовільною ремонтоспособность, можливістю автоматизації і механізації як процесів виготовлення самих плат, так і складання на них вузлів.

Залежно від складності реалізованої електричної схеми і застосовуваної елементної бази обирають конструктивне виконання плати, число шарів і щільність проводить малюнка схеми. При виборі числа шарів плати слід мати на увазі, що найменш трудомісткі і прості у виготовленні ОПП без металізованих отворів і приблизно рівні за витратами ОПП та ДПП про металізованими отворами. Найбільш складні і трудомісткі у виготовленні МПП, число шарів яких обмежена гранично допустимим співвідношенням між діаметром металізованих отворів і товщиною плати (не менше 0,33). Орієнтовно співвідношення трудомісткості виготовлення ОПП без металізованих отворів, ДПП та МПП становить 1:4:20.

По точності виконання елементів (відповідно до ГОСТ 23751 - 86) конструкції ПП діляться на п'ять класів. Клас точності вказують на кресленні ПП.

Під елементами конструкції ПП маються на увазі елементи проводить малюнка.

Друковані плати 1-го і 2-го класів точності найбільш прості у виконанні, надійні в експлуатації і мають мінімальну вартість. Друковані плати 3-го, 4-го і 5-го класів точності вимагають використання високоякісних матеріалів, інструменту та обладнання, обмеження габаритних розмірений, а в окремих випадках і особливих умов при виготовленні.

Габаритні розміри ПП повинні відповідати ГОСТ 10317 - 79. Розміри кожного боку ПП повинні бути кратними:

- 2,5 мм - при довжині до 100 мм;

- 5,0 мм - при довжині до 350 мм;

- 10,0 мм - при довжині більше 350 мм.

Рекомендується розробляти ПП простої прямокутної форми. Конфігурацію, відмінну від прямокутної, слід застосовувати тільки в технічно обгрунтованих випадках.

Співвідношення лінійних розмірів сторін ПП повинно бути не більше 3:1. Допускається збільшення цього співвідношення за погодженням із замовником.

Згідно ОСТ 25.931 - 80 рекомендуються розміри ПП на знову розробляються і Модернізовані вироби. Максимальні розміри ПП і (або) робочого поля групової установки повинні бути не більше 470 мм. Допуски на лінійні розміри сторін ПП повинні відповідати ГОСТ 25346 - 82 і ГОСТ 25347 - 82. Сполучаються, розміри контуру ПП повинні мати граничні відхилення по 12 квалітету. Неспряжуваних розміри контуру - по 14 квалітету згідно ГОСТ 25347 - 82 (СТ РЕВ 145 - 75).

Товщина друкованої плати визначається товщиною вихідного матеріалу і вибирається в залежності від використовуваної елементної бази та діючих механічних навантажень. Кращими значеннями номінальних товщин одно-і двосторонніх друкованих плат є 0,8; 1,0; 1,5; 2,0 мм.

Фольговані матеріали представляють собою шаруваті пресовані платівки, виготовлені на основі паперу (гетинакс) або тканини зі скловолокна (склотекстоліт), просочені термореактивними єднальними і облицьовані з одного або двох сторін мідною електролітичної фольгою, яка оксидоване з внутрішньої сторони для матеріалів звичайного виконання або покрита плівкою хрому для гальваностойкіх матеріалів.

Матеріал для друкованої плати вибирають за ГОСТ 10316 - 78 або технічним умовам. Позначення марок, наприклад, СФ-1 (2) -35 означають, що промисловістю випускаються як односторонні СФ-1-35, так і двосторонні СФ-2-35 фольговані матеріали з зазначеними товщинами фольги і матеріалу з фольгою. Літери Н і Г у позначенні марки матеріалу свідчать про підвищену нагрівостійкості (до +100 ° С) і гальваностойкості.

Фольговані матеріали призначені для роботи в наступних умовах:

- Гетинакс без додаткової вологозахисту призначений для виготовлення ПП, на які в процесі роботи може впливати навколишнє середовище, що характеризується відносною вологістю повітря 45 - 75% при температурі 15 - 35 ° С;

- Гетинакс з додатковою вологозахистом і склотекстоліт всіх марок призначені для виготовлення ПП, на які в процесі роботи може впливати навколишнє середовище, що характеризується відносною вологістю повітря до 98% при температурі не вище 40 ° С;

- Фольговані матеріали у вигляді ПП повинні допускати вплив температури до 60 ° С. Фольговані матеріали виготовляються листами наступних номінальних розмірів:

- Гетинакс всіх марок і товщин - 2440х1040; 1190х1040, 800х900 мм;

- Склотекстоліт всіх марок і товщин - 1190х1010, 1010х890, 1010х840, 910х890, 640х490.

Умовні позначення фольгованих матеріалів - за ГОСТ 26246 - 84. Для матеріалів вищого і першого сортів додатково має бути вказано "в.с." або "1с.". Приклад умовного позначення фольгированного стеклотекстолита вищого сорту товщиною 1,5 мм, фанерованого з двох сторін мідною електролітичної гальваностойкой фольгою товщиною 35 мкм: СФ-2-35Г-1, 5 ст. с. ГОСТ 10316-78.

Для ПП, призначених для експлуатації в умовах першої групи твердості за ОСТ 4.077.000 (табл. 6), рекомендується застосовувати матеріали на основі паперу, для другої, третьої і четвертої груп жорсткості - на основі склотканини.

3.3.2. Методи виготовлення друкованих плат

Відомо велика кількість технологічних варіантів виготовлення друкованих плат. Найбільш широке поширення одержали наступні методи:

- Хімічний метод. Полягає в тому, що на мідну фольгу, приклеєну до діелектрика з одного або з двох сторін, завдають кислотостійкої фарбою малюнок розташування друкованих провідників. Подальшим травленням видаляється мідь з незахищених ділянок і на діелектрику залишається схема провідників.

Найбільш поширеними варіантами цього способу є фотохімічний, сітчасто-хімічний, офсетного-хімічний, які розрізняються способом нанесення захисного шару.

Переваги цього методу: достатня простота, легко піддається автоматизації. Недоліки: необхідність застосування металевих втулок при двосторонньому монтажі і непродуктивну витрату міді.

- Електрохімічний метод. Полягає в нанесенні на плату кислотостійкої фарбою негативного малюнка провідників. Нанесення малюнка відбувається з подальшим нарощуванням шару міді.

Основна перевага електрохімічного методу полягає в можливості металізації отворів одночасно з отриманням провідників. Недоліком є ​​низька розсіююча здатність (0,5 ¸ 0,8 мм) і низька міцність зчеплення провідників з основою.

Електрохімічний метод знаходить застосування головним чином у дослідному і дрібносерійному виробництві при виготовленні двосторонніх плат з великим числом переходів.

- Комбінований метод. Полягає в отриманні провідників шляхом травлення фольгированного діелектрика і металізацією отворів електрохімічним способом. Суть методу травлення фольгированного матеріалу з подальшим витравлювання фольги з окремих ділянок плати. Цей метод забезпечує отримання чітких ліній провідників друкованої схеми. Він характеризується меншою трудомісткістю в порівнянні з електрохімічним методом. Друковані плати більш надійні, тому що при цьому діелектрик знаходиться в більш сприятливому умови, тому що фольга оберігає його від дії електроліту.

Комбінований метод широко застосовується при виготовленні двосторонніх друкованих плат.

Після механічної обробки плата перевіряється на наявність тріщин на краях плати і в отворах, відшарування друкованих провідників у зоні отворів. Друковані провідники повинні бути чіткими. Цілісність електричних ланцюгів встановлюється методом прозвонки.

Деталі на плату встановлюють вручну, паяння монтажних з'єднань виконують паяльником потужністю 35Вт припоєм ПОС - 60. Застосовують тільки безкислотний флюси. Якість пайки перевіряють зовнішнім оглядом.

Для захисту провідників і поверхні підстави плати від впливу припою використовують резистивні маски на основі епоксидної смоли, сухого плівкового резиста.

3.3.3. Опис конструкції друкованої плати

Конструкція розробленого контролера одноплатні. З-за великого числа пересічних провідників плата двостороння. Основний крок координатної сітки приймаємо 2,5 мм. Центри всіх отворів розташовуються на друкованій платі у вузлах координатної сітки. Діаметр монтажних і перехідних отворів береться 0,8 мм.

Друковані провідники зображуються у вигляді відрізків ліній, які збігаються з лініями координатної сітки або під кутом кратним 15 °. Друковані провідники виконані однакової ширини - 0,5 мм з допуском 0,03 мм. Провідники покрити сплавом "Розі". Маркування на платі виконувати травленням шрифтом 2.5 ПО ІО.010.007, у вузьких місцях шрифтом 2.

3.4. Розрахунок надійності контролера

3.4.1. Причини відмов засобів обчислювальної техніки

Для проектування на основі обчислювальних машин надійних систем важливо насамперед виявити можливі причини відмов ЕОМ. Слід мати на увазі, що несправності елементів апаратного устаткування є лише однією з багатьох причин відмов, і тому результати прогнозування надійності тільки на основі цих відмов можуть виявитися надмірно оптимістичними. Розглянемо деякі найбільш важливі джерела несправностей ЕОМ.

Помилки в роботі запам'ятовуючого пристрою (ЗУ) і центрального процесора (ЦП) можуть мати дуже серйозні наслідки, оскільки вони здатні призвести до порушення нормальної роботи всієї обчислювальної системи, тому що операційна система не може ефективно справлятися з помилками ЗУ. На якість роботи ЗУ можуть сильно впливати сплески напруги живлення і відмови джерел живлення. Зазвичай для виявлення помилок в роботі сучасних обчислювальних машин здійснюється контроль операцій по парності.

Помилки процесора - явище рідкісне, але зазвичай воно має катастрофічні наслідки. Наприклад, звернення до n-індексному регістру може раптово перерватися внаслідок втрати будь-якого двійкового розряду і привести до відключення всієї системи.

Помилки в роботі периферійного устаткування можуть викликати іноді серйозні труднощі, хоча зазвичай вони не призводять до припинення роботи системи.

Помилки в міжмодульних з'єднаннях. Існує загальна переконаність, що помилки в лініях передачі сигналів з'являються і будуть з'являтися завжди. Використовуються різні коди, які виявляють і виправляють помилки, тим не менше деякі помилки передачі даних у кінцевому рахунку можуть приводити до виходу з ладу терміналів і сполучних ліній.

Помилки з вини людини. Двома важливими джерелами подібних помилок є помилки оператора і помилки в програмах. Іноді з вини операторів може відбутися повна відмова системи в результаті неправильного включення або виключення системи і неправильної реакції на конкретну ситуацію.

Помилки внаслідок впливу навколишнього середовища. Помилки цього типу можуть виникати в результаті дії електромагнітного випромінювання при недостатньому екрануванні або внаслідок несправностей обладнання кондиціонування повітря.

Помилки внаслідок відхилення характеристик джерел живлення. Різке зростання напруги джерела живлення може серйозно знижувати довговічність елементів електронної апаратури. Обчислювальні машини чутливі навіть до короткочасних пониженням і підвищенням напруги, тому вони повинні мати відповідний захист. Зауважимо, що при виникненні відмови ЕОМ встановити його справжню причину буває нелегко, і причини багатьох помилок часто залишаються непоясненим [8].

3.4.2. Класифікація несправностей

Основними причинами збою в роботі ЕОМ є стійкі відмови елементів апаратного обладнання, тимчасове погіршення характеристик елементів і зовнішні впливи на роботу обчислювальної системи. Для моделювання та оцінки надійності ЕОМ зручно класифікувати несправності за тимчасовою ознакою, розділяючи їх на постійні і перемежовувалися.

Постійні несправності часто можуть викликатися катастрофічними відмовами елементів. У цьому випадку відмова елемента є незворотним і стійким, а відмовив елемент підлягає ремонту або заміні. Такі несправності характеризуються великою тривалістю усунення, а інтенсивність відповідних відмов залежить від умов навколишнього середовища. Так, наприклад, зазвичай елемент характеризується різними інтенсивностями відмов у включеному і вимкненому станах.

Перемежовувалися несправності викликаються тимчасовим погіршенням характеристик елементів або такими зовнішніми впливами, як електричні наведення, зниження напруги і імпульсні перешкоди. Подібні несправності характеризуються обмеженою тривалістю існування, і для їх усунення не потрібно ремонту або заміни елементів. Ці несправності проявляються у вигляді переміжних відмов.

3.4.3. Основні підходи до оцінки надійності ЕОМ

Надійність обчислювальної машини, як і будь-який інший фізичної системи, можна підвищити, не вдаючись до резервування. У цьому випадку використовуються високонадійні елементи і схеми з великим запасом надійності і приділяється підвищена увага технології виготовлення і збірки. Такий підхід передбачає запобігання несправностей і бессбойной роботу апаратних засобів. Протягом довгого часу вважалося, що без резервування неможливо створити наднадійні обчислювальні системи, необхідні, наприклад, для проведення досліджень космічного простору та управління наземними або бортовими системами в реальному масштабі часу. В останні роки надійність елементів ЕОМ істотно зросла, що дозволило створювати більш надійні не резервувалося системи. Однак підвищення надійності супроводжується ускладненням обчислювальних систем і збільшенням числа входять до них елементів.

Іншим підходом до створення надійних обчислювальних систем є забезпечення їх відмовостійкості. Такий підхід не виключає появи несправностей, але їх несприятливий вплив на роботу системи запобігає або мінімізується шляхом введення тієї чи іншої форми надмірності. Така відмовостійка обчислювальна система може зберігати працездатність при заданому числі відмов, або правильно виконувати програму при відмові певного числа елементів. Властивість відмовостійкості забезпечується захисним резервуванням, що може здійснюватися трьома різними способами:

- Введенням надлишкових логічних елементів або резервуванням на рівні обчислювальних машин;

- Введенням надмірності в систему програмного забезпечення, тобто створенням додаткових програм, що забезпечують захист від помилок чи їх виправлення;

- Введенням тимчасової надмірності, завдяки якій стає можливим повторення машинних операцій.

З функціональної точки зору введення надмірності може здійснюватися в статичному або динамічному режимі.

3.4.4. Статичний резервування

Вплив несправностей можна виключити шляхом введення додаткового обладнання, з тим щоб при відмові одного з резервованих елементів вихідні дані функціонального модуля не змінювалися. Вплив несправного елемента миттєво і автоматично блокується завдяки наявності постійно включених і одночасно діючих елементів. Таке резервування називається статичним, так як блокування відмови здійснюється автономно, без втручання в роботу системи через будь-які кінцеві пристрої введення-виведення.

Резервування зі схемою голосування, що є найбільш важливою формою блокування відмов, було запропоновано автором роботи, який розробив і проаналізував схему потрійного резервування елементів з мажоритарною функцією голосування. Резервування такого роду стало економічно доцільним з розвитком технології інтегральних схем. Одним із цікавих прикладів застосування цього підходу є ЕОМ пускової установки ракети "Сатурн-5". У цій обчислювальної машині застосовується потрійне резервування модульної схеми з мажоритарними елементами в центральному процесорі і дублювання в основному пристрої зберігання даних.

Для забезпечення відмовостійкості систем передачі і зберігання даних використовуються розроблені в техніці зв'язку коди з виявленням та виправленням помилок, а також спеціальні коди, призначені для швидкого кодування та декодування. У роботі відзначається, що вартість таких схем приблизно в 1,5 рази більше вартості схем без резервування.

3.4.5. Динамічне резервування

При динамічному резервування вплив несправностей може виявлятися на виходах системи, проте передбачаються кошти їх виявлення, діагностики та усунення. Якщо можливість втручання людини виключається, то за допомогою динамічного резервування системі надається властивість самовосстанавливаемость. Такий вид резервування відомий ще як резервування заміщенням. Виправлення помилок забезпечується за рахунок реалізації повторних обчислень, наприклад, способом зворотного прогону програми до повернення до деякої початкової точки програми.

3.4.6. Гібридне резервування

У цій схемі в будь-який момент часу три або більше число модулів з'єднані з мажоритарним елементом. При відмові будь-якого модуля виявляється розбіжність його результатів з виходами двох інших, і він замінюється резервним [8].

4. Програмне забезпечення контролера

4.1. Розробка алгоритмів обробки даних контролером

Програмне забезпечення системи можна розділити на дві групи:

- Керуючі програми передавальної апаратури - контролера збору та передачі телемеханічної інформації;

- Програма комп'ютера.

Програма контролера чекає сигналу її виклику з диспетчерського пункту. Поки немає викликів програма стежить за станом датчиків пожежі, затоплення та охоронним датчиком. Якщо від них приходить сигнал, то відбувається виклик диспетчерського пункту та повідомляється про причину виклику. Як тільки приходять чотири гудка на модем на пункті обліку теплової енергії, програма відправляє диспетчеру запит на пароль і стежить за станом лінії зв'язку, щоб не втратити дані. По приходу пароля його порівнюють з тим, який зашитий в ПЗУ даного контролера і якщо порівняння пройшло успішно, то диспетчер отримує доступ до даних на теплолічильники. Якщо пароль невірний - модем "кладе трубку" і система повертається в початковий стан. Для синхронізації передачі використовується асинхронний старт-стоповий режим передачі інформації.

Програма комп'ютера здійснює прийом інформаційних байтів з пункту обліку теплової енергії та їх аналіз. За результатом аналізу дані в зручному для користувача вигляді виводяться на екран монітора. Дані також можуть бути збережені в базі даних, в якій зберігаються абсолютно всі параметри вимірів. У програмі є диспетчер регулярного опитування, який по таймеру включається (наприклад: вночі) і автоматично опитує всі пункти обліку теплової енергії і заносить результати вимірювань в базу даних. Існує інтерфейсний блок, т.зв. монітор даних. Він включає в себе блок статистичного аналізу, блок моніторингу в режимі реального часу, блок керування модемом, блок формування звітів. Блок статистичного аналізу дозволяє виробляти логічні і математичні операції над надійшли даними. Блок моніторингу дозволяє побачити в реальному часі дані, що надходять та миттєві їх значення. Блок управління модемом дозволяє посилати на нього різні команди, за допомогою яких здійснюється дозвон до пункту обліку теплової енергії і передача даних. У блоці формування звітів по заданому зразку створюється звіт, який при бажанні можна вивести на принтер.

4.2. Розробка програмного забезпечення

Програма AVR-мікроконтролера - це розміщена в пам'яті програм послідовність команд, кожна з яких складається з двійкових кодів операцій і двійкових адрес операндів.

Система команд AVR-мікроконтролерів включає команди арифметичних і логічних операцій, команди передачі даних, команди, керівники послідовністю виконання програми, і команди операцій з битами. Для зручності написання та аналізу програм всіх операціях з системи команд, крім двійкового коду, зіставлені мнемокод асемблера (символічні позначення операцій), які використовуються при створенні вихідного тексту програми.

Спеціальні програми-транслятори потім переводять символічні позначення в двійкові коди.

За початкового тексту програми, написаної мовою асемблера, можна визначити час її виконання і обсяг програмної пам'яті, необхідний для її зберігання. Програмування на мові асемблера є прекрасним засобом для того, щоб відчути архітектуру мікроконтролера і логіку його роботи. Цьому також сприяє та обставина, що транслятори з мови асемблера поширюються фірмою Атмел безкоштовно і доступні всім бажаючим.

Крім мови асемблера, для програмування вбудованих мікропроцесорів широке поширення отримали мови програмування високого рівня: С і BASIC. Вони надають програмісту такий же легкий доступ до всіх ресурсів мікроконтролера, як і асемблер, але, разом з тим, дають можливість створювати добре структуровані програми, знімають з програміста турботу про розподіл пам'яті даних і містять великий набір бібліотечних функцій для виконання стандартних операцій.

Найважливішим достоїнством системи команд AVR-мікроконтролерів є те, що вона була спеціально оптимізована для використання мови С.

Вся енергонезалежна пам'ять AVR-мікроконтролерів розміщується всередині кристалу і складається з електрично програмованих FLASH-пам'яті програм і EEPROM-пам'яті даних.

Так як всі команди AVR являють собою 16-розрядні слова, FLASH-пам'ять організована як послідовність 16-розрядних осередків і має ємність від 512 слів до 64K слів залежно від типу кристалу.

У FLASH-пам'ять, крім програми, можуть бути записані постійні дані, які не змінюються під час функціонування мікропроцесорної системи. Це різні константи, таблиці знакогенератора, таблиці лінеаризації датчиків і т.п.

Перевагою технології FLASH є висока ступінь упаковки, а недоліком те, що вона не дозволяє стирати окремі осередки. Тому завжди виконується повне очищення всієї пам'яті програм. При цьому гарантується, як мінімум 1000 циклів перезапису FLASH-пам'яті AVR.

EEPROM блок електрично зтирається пам'яті AVR призначений для зберігання енергонезалежних даних, які можуть змінюватися безпосередньо на об'єкті. Це калібрувальні коефіцієнти, різні установки, конфігураційні параметри системи. EEPROM-пам'ять має меншу ємність (від 64 байт до 4К байт), але має можливість побайтного перезапису осередків, яка може відбуватися як під управлінням зовнішнього процесора, так і під управлінням власне AVR-мікроконтролера під час його роботи за програмою.

У незалежній пам'яті AVR є кілька спеціалізованих бітів [7].

LOCK-біти (LB1, LB2) призначені для захисту програмної інформації, що міститься в FLASH-пам'яті. Можливі режими захисту перераховані в таблиці 4.1. Запрограмувавши біти захисту, стерти їх можна лише під час очищення FLASH-пам'яті, яка знищує і всю програму.

Таблиця 4.1

Режими захисту програми

FUSE-біти дозволяють задавати деякі конфігураційні особливості мікроконтролера (див. таблицю 4.2).

Мікроконтролери AT90S1200 мають FUSE-біти SPIEN і RCEN. Всі інші типи classicAVR конфігуруються за допомогою FUSE-бітів SPIEN і FSTRT. MegaAVR мають чотири FUSE-біта: SPIEN, SUT0, SUT1 і EESAVE.

Три енергонезалежних Signature-байта служать для ідентифікації типу кристала, програмуються на фабриці і доступні тільки для читання.

Таблиця 4.2

Призначення FUSE-бітів

Різноманітні способи програмування AVR-мікроконтролерів забезпечують простий і зручний доступ до внутрішньої незалежної пам'яті у всіх можливих ситуаціях програмування кристала.

Для енергонезалежних FLASH і EEPROM блоків AVR передбачені паралельний і послідовний способи програмування, які виконуються під управлінням зовнішнього процесора, а для EEPROM-пам'яті також можливий спосіб програмної перезапису під управлінням AVR. LOCK-біти можуть програмуватися як паралельно, так і послідовно. FUSE-біти у молодших моделей AVR можуть програмуватися тільки послідовно, а у старших - і паралельно, і послідовно.

Паралельне програмування енергонезалежної пам'яті використовує велику кількість висновків мікроконтролера і виконується на спеціальних программаторах. Таке програмування зручно, коли при масовому виробництві необхідно "прошивати" велика кількість кристалів.

Послідовне програмування може виконуватися прямо в мікропроцесорній системі (In System Programming) через послідовний SPI-інтерфейс, який використовує всього чотири висновки AVR-мікроконтролера. Ця нова можливість є дуже важливою, оскільки дозволяє оновлювати програмне забезпечення у вже функціонуючої мікропроцесорної системі.

4.3. Рекомендації з налагодження

Підготовка програми для AVR-мікроконтролера виконується на персональному комп'ютері і складається з наступних етапів:

- Створення тексту програми;

- Трансляція тексту в машинні коди та виправлення синтаксичних помилок;

- Налагодження програми, тобто усунення логічних помилок;

- Остаточне програмування AVR-мікроконтролера.

Кожен з етапів вимагає використання спеціальних програмних і апаратних засобів. Нижче перераховані найбільш доступні з них на сьогоднішній день.

Базові програмні засоби фірми Атмел поширюються безкоштовно, в той час як апаратні засоби мають свою вартість.

Слід зазначити, що окрім безкоштовних програмних засобів фірми Атмел, що дозволяють програмувати тільки на мові асемблера, фірмами IAR SYSTEMS, CMX CORPORATION, KANDA SYSTEMS Ltd. та іншими розроблені засоби підтримки програмування на мовах високого рівня С і BASIC, а також операційні системи реального часу. Ці більш складні і дорогі продукти ми не обговорюємо, але інформацію про них та демонстраційні версії можна отримати у фірмі ЕФО або в Корпорації "Точка Опори".

Розглянемо більш детально етапи підготовки програми для AVR Якщо Ви працюєте в середовищі MS-DOS, то для виконання першого та другого етапу Вам доведеться скористатися різними засобами. Для створення тексту програми підійде будь-який текстовий редактор DOS, який формує на виході ASCII-файли, наприклад, вбудований редактор Norton Commander, редактор Multi Edit і т.п. Для трансляції тексту програми в коди фірмою Атмел пропонується DOS-версія програми-транслятора AVRASM.

Для роботи в середовищі Windows 3.11/95/NT фірмою Атмел пропонується програма WAVRASM, яка дозволяє виконати створення тексту програми і його трансляцію всередині однієї оболонки і забезпечує додатковий сервіс для швидкого пошуку синтаксичних помилок у тексті програми.

Результатом Вашої роботи на першому етапі є файл. Asm, який містить текст програми (розширення імені файлу зазвичай вказує на мову програмування) і є вхідним для програм-трансляторів, які, у свою чергу, створюють чотири нових файлу: файл лістингу (. Lst) , об'єктний файл (. obj), файл-прошивка FLASH-пам'яті (. hex), файл-прошивка EEPROM-пам'яті (. eep).

Файл лістингу - це звіт транслятора про свою роботу. У ньому наводиться транслюється програма у вигляді вихідного тексту, кожному рядку якого зіставлені відповідні виконавчі коди. Крім того, лістинг містить повідомлення про виявлені помилки.

Об'єктний файл використовується надалі як вхідний для програми-отладчика AVRSTUDIO і має спеціальний формат. Файли прошивки FLASH і EEPROM блоків пам'яті призначені для роботи з будь-якими послідовними і паралельними программаторами AVR і мають стандартні формати.

Наступним етапом підготовки програми є її налагодження, яка може виконуватися двома основними способами: на персональному комп'ютері за допомогою програми-симулятора або в реальному мікропроцесорної системі. Два ці способу взаємно доповнюють один одного.

Програма-симулятор AVRSTUDIO відображає на екрані комп'ютера Вашу програму і стан внутрішніх регістрів AVR. Таким чином, стає можливим спостерігати зміни змінних, які відбуваються всередині мікроконтролера при виконанні тих чи інших команд програми. Відзначимо, що в реальній системі за допомогою осцилографа неможливо переглянути стан внутрішніх регістрів. Використання симуляторів ефективно при налагодженні підпрограм, які виконують чисельну обробку внутрішніх даних.

У той же час, налагодження підпрограм, пов'язаних з будь-якими зовнішніми елементами, зручно виконувати безпосередньо в робочій системі. Наприклад, якщо мікроконтроллер генерує ШІМ-сигнали, що керують яскравістю світіння світлодіодів, то оцінити гру фарб Ви зможете тільки дивлячись на реальний макет.

Для налагодження програми в робочій системі, крім програмних засобів, потрібні також і апаратні. Нижче наведені представлені різні варіанти побудови налагоджувальної системи, що відрізняються своєю вартістю і можливостями.

Найбільш швидкий, не вимагає пайки спосіб побудови мікропроцесорної системи на основі AVR - це придбання комплекту AVR STARTER KIT фірми Атмел, який містить плату DEVELOPMENT BOARD, книгу "Development tool user's guide", дискети з програмним забезпеченням, CD-ROM з повною документацією на всі типи AVR і численними прикладами прикладних програм для AVR (вміст дискет та CD-ROM диска можна також знайти на даній web-сторінці). Плата DEVELOPMENT BOARD містить панельки для підключення базових типів AVR-мікроконтролерів у DIP-корпусах, джерело живлення; послідовний програматор, вузол інтерфейсу RS-232 для зв'язку з комп'ютером по асинхронному послідовному каналу; набори з 8 світлодіодів і з 8 кнопкових перемикачів, які можна підключати до висновків портів мікроконтролера; роз'єми, через які за допомогою гнучких кабелів можна нарощувати мікропроцесорну систему. Універсальність DEVELOPMENT BOARD зручна для навчання і для макетування нових розробок.

Разом з тим, для багатьох конкретних проектів може не підійти конструктивна реалізація DEVELOPMENT BOARD або надлишковою буде використання на цій платі джерела живлення, послідовного програматора і панелей під різні типи корпусів. У такому випадку виконують спеціалізовану розробку, що задовольняє вимогам конкретного завдання.

Одним з найважливіших достоїнств AVR-мікроконтролерів є те, що всі його апаратні ресурси "заховані" всередині, і тому схема включення AVR дуже проста. Така простота і мініатюрність дозволяє у багатьох конкретних додатках не виносити цифрову частину на окрему плату, а поміщати AVR безпосередньо всередині аналогового блоку. Для навчання технології програмування AVR Ви можете зібрати макет схеми за 15 хвилин.

Отже, якщо Ви вирішили працювати не з платою DEVELOPMENT BOARD, а зі своєю власною мікропроцесорною системою, то Вам необхідно придбати ще яке-небудь запрограмоване пристрій. Як згадувалося вище, існує два способи програмування AVR-мікроконтролерів: послідовне програмування через SPI-інтерфейс і паралельне програмування.

Паралельне програмування, яке вимагає вилучення AVR-мікроконтролера із системи і встановлення його в програматор, дуже незручно на етапі налагодження програми.

Для програмування Вашої мікропроцесорної системи по SPI-інтерфейсу безпосередньо в системі фірмою Атмел пропонується програма AVRPROG і програмує SPI-кабель, в який вбудований послідовний програматор.

Крім того, функцією програмування по послідовному SPI-інтерфейсу має паралельний програматор FLASHER. Спосіб налагодження мікропроцесорної системи за допомогою SPI-інтерфейсу відрізняється своєю дешевизною, але, проте, має і недоліки. По-перше, кожен раз при внесенні змін до програми Ви перепрограмміруете FLASH-пам'ять мікроконтролера, кількість циклів перезапису якої обмежена хоч і достатньо великим, але все ж кінцевим числом. По-друге, описаний спосіб не дає можливості покрокової налагодження програми.

У зв'язку з цим, фірмою Атмел розроблені більш потужні, але і більш дорогі внутрішньосхемного емулятори (in-circuit emulator) ICEPRO і megaICEPRO. Вони являють собою мікропроцесорні пристрої, які з одного боку зв'язуються з Вашої мікропроцесорної системою через панель, призначену для установки AVR-мікроконтролера, а з іншого - з персональним комп'ютером і працюють під управлінням вже згадуваної програми фірми Атмел AVRSTUDIO.

Внутрішньосхемного емулятори дозволяють виконувати програму у Вашій системі в покроковому режимі і необмежену кількість разів вносити зміни в програму. При роботі з внутрішньосхемного емулятором Ви одночасно можете на екрані комп'ютера спостерігати стан внутрішніх ресурсів процесора, а на мікропроцесорній платі - реакцію системи на ті чи інші команди програми.

Завершальним етапом програмування AVR-мікроконтролера є занесення в пам'ять вже налагодженої програми. Воно може бути виконано так само, як і при налагодженні програми, через SPI-інтерфейс. Однак необхідно пам'ятати, що послідовне програмування молодших моделей AVR не дозволяє змінювати FUSE-біти мікроконтролера.

Якщо в мікропроцесорній системі не передбачений SPI-інтерфейс а також при серійному виробництві для підвищення швидкості програмування великого числа мікроконтролерів зручно використовувати програматори, які виконують паралельне програмування. Слід зазначити, що паралельні програматори зазвичай є універсальними пристроями і дозволяють, крім AVR, працювати і з іншими типами мікроконтролерів, з постійними запам'ятовуючими пристроями й мікросхемами програмованої логіки.

Фірма ЕФО пропонує два типи програматорів, що підтримують програмування AVR-мікроконтролерів. Програматор FLASHER може виконувати як паралельне програмування, так і послідовне через SPI-інтерфейс. Універсальний програматор Стерх підтримує лише паралельне програмування.