СКАЧАТЬ:  kursovaya-uca.zip [275,82 Kb] (cкачиваний: 72)

Содержание

Введение. 4

Теоретическая часть. 6

1. Назначение. 6

1.1. Назначение контроллера. 6

1.2. Назначение и состав базового блока. 7

1.3. Назначение модуля интерфейса МИ/М... 8

1.4. Назначение модуля сопряжения с датчиками МСД.. 8

1.5. Назначение модуля токовых сигналов МТС1. 9

1.6. Назначение модуля токовых сигналов МТС2. 9

2. Основные технические характеристики. 10

2.1. Характеристики базового блока прибора. 11

2.2. Характеристики модуля интерфейса МИ/М... 12

2.3. Характеристики модуля сопряжения с датчиками МСД.. 12

2.4. Характеристики модуля токовых сигналов МТС1. 12

2.5. Характеристики модуля токовых сигналов МТС2. 13

2.6. Электрические параметры и характеристики. 13

3. Устройство и принцип работы прибора. 14

4. Устройство и работа составных частей прибора. 15

4.1. Модуль процессора МП5М... 15

4.2. Блок питания БП6. 18

4.3. Ячейка индикации ЯИ4. 19

4.4. Модуль интерфейса МИ/М... 20

4.5. Модуль сопряжения с датчиками МСД.. 21

4.6. Модули токовых сигналов МТС1 и МТС2. 22

Расчетная часть. 24

Метод Квайна – Мак-Класки. 24

Заключение. 31

Список литературы.. 32

Приложение 1. 33

Сокращения, используемые в курсовой работе

Введение

Последние достижения в области физики и технологии полупроводников, математики, химии, радиотехники позволили перейти к новому этапу миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры – созданию и совершенствованию интегральных схем.

Интегральная микросхема – микроэлектронное изделие, выполняющее функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов или кристаллов, которые с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации – рассматривается как единое целое.

Полупроводниковые  интегральные микросхемы приставляют собой законченные функциональные устройства, элементы которых выполняются в едином технологическом цикле. Поэтому параметры полупроводниковых интегральных микросхем имеют меньший разброс и температурную зависимость, чем параметры аналогичных функциональных устройств, выполненных на дискретных элементах.

При проектировании ИС с большой степенью интеграции (БИС) необходимо решить две проблемы. Первая – возможность уменьшения геометрических размеров элементов схемы. Вторая проблема – обеспечение отвода теплоты. Увеличение плотности упаковки элементов в интегральной микросхеме обуславливают увеличение удельной мощности рассеяния.

Микропроцессор – это функционально законченное и полностью автономное цифровое устройство, реализованное на одной или нескольких БИС и обеспечивающее обработку информации и управление по заданной программе. Микропроцессоры рассчитаны на совместную работу с устройствами памяти  и ввода – вывода информации.

Существующие в настоящее время приборы исследования, регулирования и контроля разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений позволили перейти к созданию и внедрению информационно-измерительных систем для нефтедобывающих и газодобывающих предприятий.

Успешный процесс ведения переработки нефти и газа зависит от строгого контроля и поддержания на заданном уровне таких параметров, как давление, температура, расход, а также от контроля качества выходного продукта.

В настоящей работе рассматривается контроллер микропроцессорный ГАММА – 7М, который предназначен для подключения к нему датчиков уровня, температуры или избыточного давления. Иными словами он обеспечивает надежность эксплуатации нефтяных и газовых объектов. Температура, давление и уровень являются теми параметрами, которые могут сильно повлиять на технологический процесс в нефтегазовой промышленности. Контроль, за этими параметрами является ключевым элементом автоматизации производства.

Теоретическая часть

1. Назначение 

1.1. Назначение контроллера 

Контроллер микропроцессорный ГАММА-7М, в зависимости от исполнения, предназначен для:

-           многоканального измерения уровня однофазных жидкостей совместно с датчиками уровня ультразвуковыми ДУУ2 производства ЗАО «Альбатрос»;

-           многоканального измерения уровней раздела сред многофазных жидкостей совместно с датчиками ДУУ2;

-           измерения давления внутри резервуаров совместно с датчиками ДУУ2 или датчиками избыточного давления ДИД1 производства ЗАО «Альбатрос»;

-           измерения температуры контролируемых жидкостей совместно с датчиками ДУУ2;

-           многоканального измерения температуры контролируемых жидкостей совместно с датчиками температуры многоточечными ДТМ1 производства ЗАО «Альбатрос»;

-           измерения различных технологических параметров (давление, температура и т.п.) при подключении датчиков сторонних производителей, имеющих стандартный выходной токовый сигнал;

-           одновременного регулирования (позиционный или пропорциона­льный законы регулирования) по любым двум измеряемым подключенными к прибору ДУУ2, ДТМ1, ДИД1 (далее «датчики») или датчиками со стандартным токовым выходом параметрам;

-           управления дискретными исполнительными механизмами (задвижки, пускатели и т.п.);

-           формирования стандартных токовых сигналов для выдачи на устройства регистрации (самописцы);

-           осуществления цифрового обмена по последовательному интерфейсу с ЭВМ верхнего уровня;

-           обеспечения взрывозащищенного электропитания подключенных датчиков (датчики, подключаемые к прибору, могут размещаться на объектах класса B‑1 и B‑1а (по классификации ПУЭ), где возможно образование смесей горючих газов и паров с воздухом категории IIB согласно ГОСТ Р 51330.11;

-           построения информационно-управляющих комплексов при подключении к прибору контроллеров-сборщиков микропроцессорных КСМ1…КСМ4 производства ЗАО «Альбатрос», а также устройств, выполненных на их основе (например, блоков управления и контроля насосным агрегатом).

1.2. Назначение и состав базового блока 

Базовый блок прибора включает в свой состав блок питания БП6, модуль процессора МП5М и ячейку индикации ЯИ4.

Кроме того, базовый блок имеет два соединителя для наращивания функциональных возможностей прибора.

К первому соединителю подключается модуль интерфейса МИ/М, обеспечивающий связь прибора с ЭВМ верхнего уровня.

Второй соединитель позволяет установить один из трех следующих типов модулей расширения:

-           модуль сопряжения с датчиками МСД;

-           модуль токовых сигналов МТС1;

-           модуль токовых сигналов МТС2.

Прибор, в зависимости от комплектации модулем интерфейса МИ/М, модулем расширения и версии программного обеспечения (ПО), выпускается в различных исполнениях.

Базовый блок прибора предназначен для подключения к нему двух датчиков (исполнения прибора от 0 до 7) или контроллеров КСМ (исполнения прибора 8 и 9), модуля интерфейса МИ/М, одного из модулей расширения и обеспечивает:

-           искробезопасное питание датчиков (КСМ – только КСМ3);

-           питание модуля интерфейса МИ/М и модуля расширения;

-           обработку поступающих от датчиков (КСМ) сигналов и расчет измеряемых датчиками (КСМ) параметров;

-           обмен информацией и управление модулем интерфейса МИ/М и модулем расширения;

-           формирование четырех изолированных дискретных сигналов типа «сухой контакт» для предупредительной или аварийной сигнализации (ключи);

-           индикацию измеренных базовым блоком и модулем расширения параметров на встроенном жидкокристаллическом индикаторе (ЖКИ);

-           ввод и просмотр настроек прибора.

1.3. Назначение модуля интерфейса МИ/М 

Модуль интерфейса МИ/М (исполнения прибора 1, 3, 5, 7…9) предназначен для обеспечения связи прибора с ЭВМ верхнего уровня по одному из стандартных интерфейсов RS‑232, или RS-422, или RS-485 в формате протокола Modbus RTU.

1.4. Назначение модуля сопряжения с датчиками МСД 

Модуль сопряжения с датчиками МСД предназначен для подключения к прибору шести датчиков ДУУ2, ДТМ1 или ДИД1 (исполнения прибора 2 и 3) или шести КСМ (исполнение прибора 9) и, совместно с базовым блоком прибора, обеспечивает:

-           искробезопасное питание датчиков (КСМ – только КСМ3);

-           обработку поступающих от датчиков (КСМ) сигналов и расчет измеряемых датчиками (КСМ) параметров.

1.5. Назначение модуля токовых сигналов МТС1 

Модуль токовых сигналов МТС1 (исполнения прибора 4 и 5) предназначен для формирования стандартных токовых сигналов и, совместно с базовым блоком прибора, обеспечивает:

-           формирование четырех стандартных программируемых токовых сигналов 0…5 мА, 0…20 мА или 4…20 мА (два выхода гальванически изолированные от общей шины и два выхода неизолированные с программируемыми привязками) для работы с самописцами, электропневмопреобразователями, электроклапанами или другими исполнительными устройствами;

-           управление поддержанием измеряемого параметра на заданной величине или в определенных границах с помощью исполнительных устройств с токовым входом (только для изолированных выходов, два независимых канала с программируемыми привязками, позиционный или пропорциональный законы регулирования);

-           считывание четырех дискретных сигналов типа «сухой контакт», поступающих от сигнализаторов.

1.6. Назначение модуля токовых сигналов МТС2 

Модуль токовых сигналов МТС2 (исполнения прибора 6 и 7) предназначен для подключения двух датчиков, имеющих стандартный токовый выход, а также формирования стандартных токовых сигналов и, совместно с базовым блоком прибора, обеспечивает:

-           искробезопасное питание и одновременное измерение двух токовых сигналов взрывобезопасных датчиков, имеющих стандартный токовый выход 4…20 мА, по двухпроводной схеме включения;

-           либо питание и одновременное измерение двух токовых сигналов датчиков обычного исполнения, имеющих стандартный токовый выход 4…20 мА, по двухпроводной схеме включения;

-           либо одновременное измерение двух токовых сигналов датчиков обычного исполнения, имеющих стандартный токовый выход 0…5 мА или 0…20 мА;

-           формирование четырех стандартных программируемых токовых сигналов 0…5 мА, 0…20 мА или 4…20 мА (два выхода гальванически изолированные от общей шины и два выхода неизолированные с программируемыми привязками) для работы с самописцами, электропневмопреобразователями, электроклапанами или другими исполнительными устройствами;

-           управление поддержанием измеряемого параметра на заданной величине или в определенных границах с помощью исполнительных устройств с токовым входом (только для изолированных выходов, два независимых канала с программируемыми привязками, позиционный или пропорциональный законы регулирования);

-           считывание четырех дискретных сигналов типа «сухой контакт», поступающих от сигнализаторов.

2. Основные технические характеристики 

Метрологические характеристики измеряемых параметров определяются датчиками (КСМ), подключенными к прибору.

ЖКИ со светодиодной подсветкой имеет две строки по 20 знакомест (матрица 5×7 точек, размер символа 6,0×9,66 мм) и обеспечивает вывод алфавитно-цифровой информации.

Прибор имеет четыре единичных светодиодных индикатора, индицирующих текущее состояние ключей, и пьезоэлектрический звонок для сигнализации различных ситуаций, возникающих в процессе его работы.

Для программирования прибора пользователю предоставляется 16‑кнопочная клавиатура.

2.1. Характеристики базового блока прибора 

-           тактовая частота модуля процессора МП5М – 24 МГц;

-           объем энергонезависимой памяти программ и данных – 128 Кбайт;

-           объем ОЗУ – 8 Кбайт;

-           энергонезависимые часы реального времени;

-           число подключаемых датчиков или КСМ – два;

-           соединитель для подключения модуля интерфейса МИ/М;

-           соединитель для подключения модуля расширения (МСД, МТС1 или МТС2).

Питание датчиков (КСМ3) осуществляется постоянным напряжением с параметрами UО£12 B, IО£80 мА. Для связи с датчиками (КСМ) применяется экранированный четырехпроводный кабель. Нормальное функционирование обеспечивается при длине соединительного кабеля между базовым блоком и датчиками (КСМ) не более 1,5 км. Разрешается применение экранированных контрольных кабелей со следующими параметрами: RКАБ£100 Ом, СКАБ£0,1 мкФ, LКАБ£2 мГн.

Предельные параметры ключей прибора на активной нагрузке:

¾              коммутируемое напряжение постоянного или переменного тока не более 250 В;

¾              допустимый ток коммутации ключа не более 1 А;

¾              сопротивление ключа в замкнутом состоянии не более 1,2 Ом.

2.2. Характеристики модуля интерфейса МИ/М 

-           изолированный интерфейс RS-232/RS-422/RS-485 (выбор типа интерфейса осуществляется пользователем);

-           скорость передачи до 19200 бит/с;

-           программируемый контроль четности;

-           логический протокол – Modbus RTU.

2.3. Характеристики модуля сопряжения с датчиками МСД 

Число подключаемых датчиков или КСМ – шесть.

Питание датчиков (КСМ3) осуществляется постоянным напряжением с параметрами UO£12 B, IO£80 мА.

Связь модуля с датчиками (КСМ) осуществляется с помощью экранированного четырехпроводного кабеля.

Нормальное функционирование модуля обеспечивается при длине соединительного кабеля между модулем и датчиками (КСМ) не более 1,5 км. Разрешается применение экранированных контрольных кабелей со следующими параметрами: RКАБ£100 Ом, СКАБ£0,1 мкФ, LКАБ£2 мГн.

2.4. Характеристики модуля токовых сигналов МТС1 

Пределы допускаемой приведенной погрешности выходных токовых сигналов для изолированных выходов – не более ±0,2 %, для неизолированных выходов – не более ±3 %.

Выходные токовые сигналы 0…5 мА обеспечиваются модулем на нагрузке не более 2 кОм, а 0…20 мА и 4…20 мА – на нагрузке не более 300 Ом.

Дискретные входы модуля предназначены для обслуживания сигналов типа «сухой контакт» и имеют входное сопротивление не менее 10 кОм. Минимальная длительность обнаруживаемого сигнала составляет 1 мс.

2.5. Характеристики модуля токовых сигналов МТС2 

Число изолированных токовых входов – два.

При подключении взрывозащищенных датчиков с выходным токовым сигналом 4…20 мА по двухпроводной схеме модуль обеспечивает для каждого датчика искробезопасное изолированное питание с параметрами UO£24 B, IO£40 мА. Одновременное подключение взрывозащищенного датчика и датчика обычного исполнения не допускается.

Пределы допускаемой приведенной погрешности преобразования входного токового сигнала – ±0,2 %.

Пределы допускаемой приведенной погрешности выходных токовых сигналов для изолированных выходов – не более ±0,2 %, для неизолированных выходов – не более ±3 %.

Выходные токовые сигналы 0…5 мА обеспечиваются модулем на нагрузке не более 2 кОм, а 0…20 мА и 4…20 мА – на нагрузке не более 300 Ом.

Дискретные входы модуля предназначены для обслуживания сигналов типа «сухой контакт» и имеют входное сопротивление не менее 10 кОм. Минимальная длительность обнаруживаемого сигнала составляет 1 мс.

2.6. Электрические параметры и характеристики 

Питание прибора осуществляется от сети переменного тока напряжением от 180 до 242 В, частотой (50 ± 1) Гц.

Мощность, потребляемая прибором от сети, не превышает 25 В×А.

Электрическая изоляция между цепью питания и металлическими частями прибора выдерживает без пробоя и поверхностного перекрытия испытательное напряжение ~1500 В, 50 Гц в нормальных условиях применения.

Все программируемые параметры и константы запоминаются в энергонезависимой памяти прибора и сохраняются при отключении питания. Часы реального времени, имеющиеся в приборе, также энергонезависимы.

Время установления рабочего режима:

-           после кратковременного отключения питания – не более 30 с;

-           после длительного отключения питания – на более трех минут.

Прибор предназначен для непрерывной работы.

3. Устройство и принцип работы прибора 

Контроллер микропроцессорный ГАММА-7М состоит из базового блока и, в зависимости от исполнения, модуля интерфейса МИ/М и/или модуля расширения (МСД, МТС1 или МТС2).

Базовый блок включает в свой состав блок питания БП6, ячейку индикации ЯИ4, модуль процессора МП5М и корпус.

Блок питания вырабатывает напряжения, необходимые для работы остальных узлов прибора, и содержит узлы сопряжения с датчиками или КСМ, которые могут подключаться к базовому блоку.

Ячейка индикации самостоятельно опрашивает клавиатуру, выдавая в модуль процессора информацию о нажатии той или иной клавиши. По командам МП5М ЯИ4 обеспечивает выдачу на ЖКИ значений контролируемых параметров и служебных сообщений. Кроме того, на ячейке индикации расположены светодиоды, индицирующие текущее состояние ключей прибора, и пьезоэлектрический звонок для формирования звуковых сообщений, а также разъемы, с помощью которых коммутируются остальные блоки прибора.

Модуль процессора является центральным узлом прибора. В его задачи входит диагностика и управление работой ячейки индикации, диагностика, программирование и управление работой модуля интерфейса и модуля расширения, управление ключами, хранение настроечной информации при отключении питания прибора, а также связь с датчиками (КСМ), подключаемыми к базовому блоку.

Модуль интерфейса МИ/М и модуль расширения предназначены для наращивания функциональных возможностей прибора.

Модуль интерфейса МИ/М осуществляет связь прибора с ЭВМ верхнего уровня по одному из стандартных интерфейсов в формате протокола Modbus, что позволяет интегрировать прибор в состав АСУ ТП.

Модуль сопряжения с датчиками МСД предназначен для подключения к прибору еще шести датчиков или КСМ.

Модули токовых сигналов МТС1 и МТС2 позволяют выполнять прибором функции регулятора (МТС1 – для датчиков типа ДУУ2, ДТМ1 или ДИД1, МТС2 – для датчиков типа ДУУ2, ДТМ1, ДИД1 и датчиков со стандартным выходным токовым сигналом).

4. Устройство и работа составных частей прибора 

4.1. Модуль процессора МП5М 

Структурная схема модуля приведена на рисунке 1.

Схема содержит следующие узлы:

-           микроконтроллер (МК);

-           часы реального времени (ЧРВ);

-           стабилизатор напряжения (СН);

-           линейка переключателей (ЛП);

-           изолированные релейные ключи (ИРК);

-           коммутатор сигналов связи (КСС).

Ядром модуля является МК (БИС C8051F127 фирмы Silicon Laboratories, Inc., являющаяся расширением микроконтроллеров семейства MCS^â‑51 фирмы Intel), управляющий остальными узлами прибора. Тактирование МК обеспечивается его внутренним генератором.

МК имеет встроенную энергонезависимую память программ и данных объемом 128 Кбайт, в которой хранятся код программы и информация о конфигурации прибора (наличие и тип установленных модулей расширения, тип, число и параметры датчиков (КСМ), подключенных к прибору и т.п.). Кроме того, в составе МК имеется ОЗУ объемом 8 Кбайт, которое используется для хранения значений измеренных параметров и временного хранения данных при работе прибора.

Рис.1 – Структурная схема модуля процессора МП5М.

ЧРВ обеспечивают привязку процессов измерения и управления, осуществляемых прибором, к реальному времени.

СН формирует напряжение питания МК.

ЛП используется для задания типа интерфейса и адреса прибора (адреса ведомого) при работе по протоколу Modbus (если в составе прибора присутствует модуль интерфейса МИ/М).

ИРК формируют гальванически развязанные сигналы типа «сухой контакт» для управления внешними устройствами, которые могут подключаться к прибору.

МК имеет в своем составе два универсальных асинхронных приемопередатчика (УАПП). Первый УАПП используется для связи с датчиками (КСМ) и модулем расширения. Так как используется один УАПП, для коммутации его сигналов передатчика (TX0) и приемника (RX0) используется КСС. При этом сигналы TxD1, TxD2, RxD1 и RxD2 поступают через ЯИ4 на БП6, а сигналы TxD3…TxD8 и RxD3…RxD8 – на модуль расширения.

От модуля расширения на МК поступает также сигнал ACTIVE MOD, позволяющий идентифицировать наличие и тип модуля (при установке МСД данный сигнал имеет значение логического нуля, при установке модулей МТС1 или МТС2, а также отсутствии модуля расширения данный сигнал имеет значение логической единицы).

Связь МК с ЯИ4 и ЧРВ осуществляется по шине I²Cä фирмы Philips Semiconductors, аппаратно реализованной в МК. При этом МК является ведущим устройством, а ЯИ4 и ЧРВ – ведомыми. Кроме того, МК формирует сигнал сброса ЯИ4 /IND RES, а ЯИ4 при нажатии кнопок на клавиатуре формирует сигнал /INT0, поступающий на вход прерывания МК. ЧРВ формируют сигнал /INT1, также поступающий на вход прерывания МК.

Звуковые сигналы формируются МК МП5М программно и выдаются на ЯИ4 по линии SOUND.

Второй УАПП из состава МК используется для приема и передачи по последовательному интерфейсу информации от ЭВМ верхнего уровня через модуль интерфейса МИ/М (сигналы RS RxD и RS TxD соответственно).

МК также управляет направлением потока данных через модуль интерфейса МИ/М (сигнал DIRECTION). Наличие модуля интерфейса МИ/М в составе прибора определяется МК с помощью сигнала /INTERFACE.

4.2. Блок питания БП6 

Структурная схема БП6 приведена на рисунке 2. Схема содержит следующие узлы:

-           выключатель (ВЫКЛ); блок питания (самостоятельный узел, устанавливаемый на плате БП6);

-           источник питания датчиков (ИПД);

-           узлы сопряжения с датчиками (УСД).

Рис.2 – Структурная схема блока питания БП6.

Сетевое напряжение через выключатель поступает на блок питания, выдающий напряжения +5 В, +12 В и –12 В, необходимые для работы остальных узлов прибора.

ИПД вырабатывает искробезопасные питания датчиков ДУУ2, ДТМ1, ДИД1 или контроллеров КСМ3, подключаемых к прибору (два изолированных канала) и включает в себя искрозащитные элементы.

УСД обеспечивают согласование уровней и гальваническую развязку сигналов датчиков (КСМ).

4.3. Ячейка индикации ЯИ4 

Структурная схема ЯИ4 приведена на рисунке 3.

Схема содержит следующие узлы:

-           контроллер клавиатуры и индикатора (ККИ);

-           жидкокристаллический индикатор (ЖКИ);

-           клавиатура (КЛ);

-           узел формирования звука (УФЗ);

-           светодиоды состояния ключей (ССК).

Рис.3 – Структурная схема ячейки индикации ЯИ4.

Основным узлом ЯИ4 является ККИ, осуществляющий вывод информации на ЖКИ и опрос кнопок клавиатуры. Вид выводимой на ЖКИ информации задается МП5М, интерфейс с ЖКИ осуществляет непосредственно ККИ, что позволяет разгрузить МК МП5 от выполнения данной работы.

Как было уже отмечено выше, связь ЯИ4 с МП5М осуществляется по двунаправленной шине I²C. При этом МП5М выдает по шине команды управления ККИ и данные для вывода на ЖКИ, а ЯИ4 – коды нажатых кнопок КЛ и информацию о состоянии ККИ.

УФЗ представляет собой усилитель с пьезоэлектрическим звонком на выходе и формирует из сигнала SOUND, поступающего на ЯИ4 от МП5М, звуковые сигналы.

ССК управляются сигналами МП5М и индицируют текущее состояние ИРК прибора.

Принципиальная электрическая схема ячейки индикации, спецификация элементов и описание схемы приведены в приложении.

4.4. Модуль интерфейса МИ/М 

Структурная схема модуля интерфейса МИ/М приведена на рисунке 4. Схема содержит следующие узлы:

-           изолированные интерфейсные каскады (ИИК);

-           источник изолированного питания (ИИП).

Рис.4 – Структурная схема модуля интерфейса МИ/М.

Связь модуля интерфейса МИ/М с МП5М осуществляется по последовательной шине данных.

ИИК служат для преобразования сигналов УАПП МК МП5М в сигналы интерфейсов RS-232/RS-422/RS-485 и гальванической развязки интерфейса от остальных узлов прибора. ИИП обеспечивает изолированное питание ИИК.

4.5. Модуль сопряжения с датчиками МСД 

При наличии в составе прибора модуля сопряжения с датчиками МСД к прибору возможно подключение еще шести датчиков типа ДУУ2, ДТМ1, ДИД1 или контроллеров КСМ.

Модуль содержит два функциональных узла:

-           источник питания датчиков (ИПД);

-           узлы сопряжения с датчиками (УСД).

ИПД вырабатывает изолированные искробезопасные напряжения питания датчиков или КСМ3, подключаемых к прибору (шесть каналов) и включает в себя искрозащитные элементы.

УСД обеспечивают согласование уровней и гальваническую развязку сигналов датчиков (КСМ).

4.6. Модули токовых сигналов МТС1 и МТС2 

Модули токовых сигналов МТС1 и МТС2 имеют аналогичные схемотехнические решения, конструктивно собраны на одной и той же печатной плате и отличаются только составом – в модуле МТС1 отсутствуют узлы, обеспечивающие работу с датчиками с токовым выходом. Поэтому принципы построения и работы модулей будем рассматривать на примере модуля МТС2.

Структурная схема модулей приведена на рисунке 5. Схема содержит следующие узлы:

-           микроконтроллер (МК);

-           узел дискретных входов (УДВ);

-           изолированные цифро-аналоговые преобразователи (ИЦАП);

-           цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП);

-           изолированные аналого-цифровые преобразователи (ИАЦП);

-           источник питания датчиков (ИПД).

Последние два узла имеются только в составе МТС2.

Рис.5 – Структурная схема модулей токовых сигналов МТС1 и МТС2.

Ядром модуля является МК. В его задачи входит осуществление связи с МП5 базового блока (используется встроенный в МК приемопередатчик – сигналы TxD3 и RxD3), формирование сигналов управления ИЦАП и ЦАП, считывание состояния УДВ и ИАЦП.

УДВ предназначены для формирования из входных дискретных сигналов (типа «сухой контакт»), поступающих на модуль от сигнализаторов, сигналов с уровнями, которые позволяют МК однозначно определить состояние дискретных входов.

ИЦАП и ЦАП предназначены для формирования выходных стандартных токовых сигналов. При этом используется принцип преобразования ширины импульса в амплитуду аналогового токового сигнала для заземленной нагрузки. МК для ЦАП самостоятельно формирует последовательность сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ), а для ИЦАП передает параметры сигналов ШИМ в цифровом последовательном коде, на основе которых ИЦАП формируют свои выходные токовые сигналы.

ИЦАП предназначены для управления удаленными исполнительными устройствами (например, электропневмопреобразователями, управляющими клапанами в контуре регулирования).

ЦАП предназначены для подключения устройств регистрации (например, самописцев), расположенных на небольшом расстоянии от прибора.

ИАЦП позволяют подключить к модулю датчики со стандартным токовым выходом и преобразуют их информацию в цифровой код.

ИПД вырабатывает изолированные питания для ИАЦП и искробезопасные питания датчиков, подключаемых к модулю.

Расчетная часть

Метод Квайна – Мак-Класки 

Мак-Класки предложил прием, который на этапе нахождения сокра­щенных ДНФ и КНФ упрощает процесс минимизации и, кроме того, позволяет описать этот процесс для выполнения на ЭВМ. Прием пред­усматривает следующую последовательность действий для получения сокращенной ДНФ.

1. СДНФ функции представляют наборами значений аргументов, на которых функция равна лог. 1.

2. Все члены в этой форме СДНФ разбивают на группы по числу единиц, содержащихся в наборах (представленных в двоичной форме).

3. Производят склеивание наборов. Склеиваться могут только набо­ры соседних групп, различающиеся лишь в одном разряде. Результат склеивания пары наборов содержит на месте разряда с различающимися значениями в наборах символ * и заносится в графу следующего этапа, а пара склеивающихся наборов вычеркивается (при этом вычеркнутые наборы должны использоваться в последующих поисках склеивающих­ся пар наборов). Так, склеивание пары наборов 0001 и 0101 графы I этапа приводит к набору 0 * 01, записываемому в графе II этапа.

Результаты склеивания наборов II этапа заносятся в графу III этапа. Сюда перенесены и невычеркнутые наборы из графы II этапа. Дальней­шее склеивание оказывается невозможным.

Наборы графы последнего этапа изображают простые импликанты функции, т.е. члены сокращенной ДНФ.

ДНФ соответствует логическому выражению, получаемо­му по правилу: каждый набор соответствует отдельной импликанте; каждому символу в наборе соответствует переменная функции с индексом, совпадающим с номером позиции символа в наборе; если символом является *, то соответствующая переменная в вы­ражении импликанты отсутствует; если символом является 0, то соответствующая переменная в выражении импликанты присутст­вует с инверсией; при символе 1 переменная записывается без ин­версии.

Переход от сокращенной ДНФ к минимальной ДНФ может произ­водиться с помощью импликантной матрицы, как и в методе Квайна. Различие может состоять лишь в том, что в импликантной матрице члены СДНФ и сокращенной ДНФ удобней представлять соответству­ющими им двоичными комбинациями.

Задание: Минимизировать логическую функцию методом Квайна – Мак-Класки: .

1. Составим таблицу истинности для данной логической функции.

Для нахождения СНДФ необходимо из таблицы истинности выбрать лишь те комбинации, которые на выходе дают «1».

Функцию можно записать через наборы, представленные в двоичной форме:

СНДФ:

2. Все члены в этой форме СДНФ разобьем на группы по числу единиц, содержащихся в наборах (представленных в двоичной форме). Эта разбивка наборов на группы для рассматриваемой функции представлена в графе I этапа табл.1

Таблица 1.

Произведем склеивание наборов. Склеиваться могут только набо­ры соседних групп, различающиеся лишь в одном разряде. Результат склеивания пары наборов содержит на месте разряда с различающимися значениями в наборах символ * и заносится в графу следующего этапа, а пара склеивающихся наборов вычеркивается (при этом вычеркнутые наборы должны использоваться в последующих поисках склеивающих­ся пар наборов). Так, склеивание пары наборов 0100 и 0101 графы I этапа приводит к набору 010*, записываемому в графе II этапа.

Результаты склеивания наборов II этапа заносятся в графу III этапа. Сюда перенесены и невычеркнутые наборы из графы II этапа. Дальней­шее склеивание оказывается невозможным.

Наборы графы последнего этапа изображают простые импликанты функции, т.е. члены сокращенной ДНФ. В нашем случае сокращенная ДНФ функции

Эта запись соответствует логическому выражению, получаемо­му по правилу: каждый набор соответствует отдельной импликанте; каждому символу в наборе соответствует переменная функции с индексом, совпадающим с номером позиции символа в наборе; если символом является *, то соответствующая переменная в вы­ражении импликанты отсутствует; если символом является 0, то соответствующая переменная в выражении импликанты присутст­вует с инверсией; при символе 1 переменная записывается без ин­версии:

Переход от сокращенной ДНФ к минимальной ДНФ произ­ведем с помощью импликантной матрицы, как и в методе Квайна. Для  удобства представим члены СДНФ и сокращенной ДНФ соответству­ющими им двоичными комбинациями. Импликантная матрица привидина в табл.2.

Таблица 2.

Из таблицы следует, что минимальная ДНФ функции

Проверка минимизации с помощью программы EWB 

Для этого воспользуемся логическим преобразователем (рис. 6).

Рис.6

Необходимо записать в логический преобразователь исходную функцию вида:

 (рис.7).

Рис. 7

Для преобразования таблицы истинности в логическое выражение в СДНФ необходимо нажать кнопку (рис.8)

Рис.8

Получили СДНФ (рис.9):

Рис.9

Для упрощения исходной функции необходимо нажать на кнопку (рис.10) и получим упрощенное логическое выражение (рис.11).

Рис.10

Рис. 11

Упрощенная схема будет иметь следующий вид (рис.12):

Рис.12

Как видно результат минимизации по методу Квайна – Мак-Класки и при помощи программы EWB совпадает, что говорит о правильной минимизации исходной функции.

Заключение

В последние десятилетия импульсная техника обогатилась новой быстро развивающейся областью – цифровой техникой – основой электронных цифровых вычислительных машин, станков с числовым программным управлением, роботов и т.д. Она подняла на новое качественную ступень средства связи, радиолокацию, вызвала появление автоматизированых систем управления предприятиями и целыми отраслями народного хозяйства, комплексов для обработки различных видов информации. Этому в немалой степени способствовала создание новой элементной базы, что привело к резкому снижению габаритов и массы импульсных установок.

В данной курсовой работе было рассмотрено устройство и принцип работы контроллера ГАММА – 7М. Автор ознакомился с принципиальными электрическими схемами и с организацией их работы.

В расчетной части мною была минимизирована исходная логическая схема. Для минимизации был применен метод Квайна – Мак-Класки, который позволяет минимизировать логические схемы с большим числом входов. Затем был произведен синтез логического устройства по найденной минимизированой функции.

Таким образом, развитие нефтяной и газовой промышленности связано с развитием микропроцессорных технологий. А именно, связано с дальнейшим совершенствованием импульсной и цифровой техники и подготовкой квалифицированных кадров.

Список литературы

1. Контроллер микропроцессорный ГАММА – 7М. Руководство по эксплуатации УНКР.466514.010 РЭ.
2. Савельев А.Я. Прикладная теория цифровых автоматов: Учеб. для вузов по спец. ЭВМ. – М.: Высш. шк., 1987.-272с.
3. Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы: Учебник для техникумов связи. – М.: Горячая линия – Телеком, 2002. – 336 с.: ил.
4. Бриндли К., Карр Дж. Карманный справочник инженера электронной техники/ Пер. с англ. 2-е изд., стер. – М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005. – 480 с.: ил.
5. Мак-Комб Г., Бойсен Э. Радиоэлектроника для «чайников».: Пер. с англ. – М.: ООО «И.Д. Вильямс», 2006. – 400 с.: ил. – Парал. Тит. Англ.

Приложение 1

Краткое описание принципиальной электрической схемы ячейки индикации ЯИ4

ККИ выполнен на элементах С1, D1.1, D1.3, R1, R2, R6...R9 и БИС D2.

Светодиоды Н1...Н4, ЖКИ (Н5) представляет собой модуль с встроенным контроллером и знакогенератором и подключается к плате ЖКИ через разъем Х4. Резистор R4 позволяет регулировать контрастность ЖКИ.

УФЗ выполнен по мостовой схеме на элементах В1, D1.2 и D1.4. Разъемы   X1.. ХЗ   служат для   коммутации  остальных  блоков   прибора (выполняют функцию кросс-платы), клавиатура S1 подключается к плате ЯИ4 через разъем X6.