Реферат: Разработка системы теплоснабжения

Комбинированный метод широко применяется при изготовлении двухсторонних печатных плат.

После механической обработки плата проверяется на наличие трещин на краях платы и в отверстиях, отслоения печатных проводников в зоне отверстий. Печатные проводники должны быть четкими. Целостность электрических цепей устанавливается методом прозвонки.

Детали на плату устанавливают вручную, пайку монтажных соединений выполняют паяльником мощностью 35Вт припоем ПОС - 60. Применяют только бескислотные флюсы. Качество пайки проверяют внешним осмотром.

Для защиты проводников и поверхности основания платы от воздействия припоя используют резистивные маски на основе эпоксидной смолы, сухого пленочного резиста.

3.3.3. Описание конструкции печатной платы

Конструкция разработанного контроллера одноплатная. Из-за большого числа пересекающихся проводников плата двусторонняя. Основной шаг координатной сетки принимаем 2,5 мм. Центры всех отверстий располагаются на печатной плате в узлах координатной сетки. Диаметр монтажных и переходных отверстий берется 0,8 мм.

Печатные проводники изображаются в виде отрезков линий, совпадающих с линиями координатной сетки или под углом кратным 15°. Печатные проводники выполнены одинаковой ширины - 0,5 мм с допуском 0,03 мм. Проводники покрыть сплавом “Розе”. Маркировку на плате выполнять травлением шрифтом 2.5 ПО ИО.010.007, в узких местах шрифтом 2.

3.4. Расчет надежности контроллера

3.4.1. Причины отказов средств вычислительной техники

Для проектирования на основе вычислительных машин надежных систем важно прежде всего выявить возможные причины отказов ЭВМ. Следует иметь в виду, что неисправности элементов аппаратного оборудования являются лишь одной из многих причин отказов, и потому результаты прогнозирования надежности только на основе этих отказов могут оказаться излишне оптимистичными. Рассмотрим некоторые наиболее важные источники неисправностей ЭВМ.

Ошибки в работе запоминающего устройства (ЗУ) и центрального процессора (ЦП) могут иметь весьма серьезные последствия, поскольку они способны привести к нарушению нормальной работы всей вычислительной системы, так как операционная система не может эффективно справляться с ошибками ЗУ. На качество работы ЗУ могут сильно влиять всплески питающего напряжения и отказы источников питания. Обычно для обнаружения ошибок в работе современных вычислительных машин осуществляется контроль операций по четности.

Ошибки процессора - явление редкое, но обычно оно имеет катастрофические последствия. Например, обращение к n-индексному регистру может внезапно прерваться вследствие потери какого-либо двоичного разряда и привести к отключению всей системы.

Ошибки в работе периферийного оборудования могут вызывать иногда серьезные затруднения, хотя обычно они не приводят к прекращению работы системы.

Ошибки в межмодульных соединениях. Существует общая убежденность, что ошибки в линиях передачи сигналов появляются и будут появляться всегда. Используются различные коды, обнаруживающие и исправляющие ошибки, тем не менее некоторые ошибки передачи данных в конечном счете могут приводить к выходу из строя терминалов и соединительных линий.

Ошибки по вине человека. Двумя важными источниками подобных ошибок являются ошибки оператора и ошибки в программах. Иногда по вине операторов может произойти полный отказ системы в результате неправильного включения или выключения системы и неправильной реакции на конкретную ситуацию.

Ошибки вследствие воздействия окружающей среды. Ошибки этого типа могут возникать в результате воздействия электромагнитного излучения при недостаточном экранировании или вследствие неисправностей оборудования кондиционирования воздуха.

Ошибки вследствие отклонения характеристик источников питания. Резкое возрастание напряжения источника питания может серьезно снижать долговечность элементов электронной аппаратуры. Вычислительные машины чувствительны даже к кратковременным понижениям и повышениям напряжения, поэтому они должны иметь соответствующую защиту. Заметим, что при возникновении отказа ЭВМ установить его истинную причину бывает нелегко, и причины многих ошибок часто остаются необъясненными [8].

3.4.2. Классификация неисправностей

Основными причинами сбоя в работе ЭВМ являются устойчивые отказы элементов аппаратного оборудования, временное ухудшение характеристик элементов и внешние воздействия на работу вычислительной системы. Для моделирования и оценки надежности ЭВМ удобно классифицировать неисправности по временному признаку, разделяя их на постоянные и перемежающиеся.

Постоянные неисправности часто могут вызываться катастрофическими отказами элементов. В этом случае отказ элемента является необратимым и устойчивым, а отказавший элемент подлежит ремонту или замене. Такие неисправности характеризуются большой длительностью устранения, а интенсивность соответствующих отказов зависит от условий окружающей среды. Так, например, обычно элемент характеризуется различными интенсивностями отказов во включенном и выключенном состояниях.

Перемежающиеся неисправности вызываются временным ухудшением характеристик элементов или такими внешними воздействиями, как электрические наводки, снижение напряжения и импульсные помехи. Подобные неисправности характеризуются ограниченной продолжительностью существования, и для их устранения не требуется ремонта или замены элементов. Эти неисправности проявляются в виде перемежающихся отказов.

3.4.3. Основные подходы к оценке надежности ЭВМ

Надежность вычислительной машины, как и любой другой физической системы, можно повысить, не прибегая к резервированию. В этом случае используются высоконадежные элементы и схемы с большим запасом надежности и уделяется повышенное внимание технологии изготовления и сборки. Такой подход предусматривает предотвращение неисправностей и бессбойную работу аппаратных средств. В течение долгого времени считалось, что без резервирования невозможно создать сверхнадежные вычислительные системы, необходимые, например, для проведения исследований космического пространства и управления наземными или бортовыми системами в реальном масштабе времени. В последние годы надежность элементов ЭВМ существенно возросла, что позволило создавать более надежные не резервированные системы. Однако повышение надежности сопровождается усложнением вычислительных систем и увеличением числа входящих в них элементов.

Другим подходом к созданию надежных вычислительных систем является обеспечение их отказоустойчивости. Такой подход не исключает появления неисправностей, но их неблагоприятное воздействие на работу системы предотвращается или минимизируется путем введения той или иной формы избыточности. Такая отказоустойчивая вычислительная система может сохранять работоспособность при заданном числе отказов, либо правильно выполнять программу при отказе определенного числа элементов. Свойство отказоустойчивости обеспечивается защитным резервированием, которое может осуществляться тремя различными способами:

– введением избыточных логических элементов или резервированием на уровне вычислительных машин;

– введением избыточности в систему программного обеспечения, т. е. созданием дополнительных программ, обеспечивающих защиту от ошибок или их исправление;

– введением временной избыточности, благодаря которой становится возможным повторение машинных операций.

С функциональной точки зрения введение избыточности может осуществляться в статическом или динамическом режиме.

3.4.4. Статическое резервирование

Влияние неисправностей можно исключить путем введения дополнительного оборудования, с тем чтобы при отказе одного из резервированных элементов выходные данные функционального модуля не менялись. Влияние неисправного элемента мгновенно и автоматически блокируется благодаря наличию постоянно включенных и одновременно действующих элементов. Такое резервирование называется статическим, так как блокирование отказа осуществляется автономно, без вмешательства в работу системы через какие-либо оконечные устройства ввода-вывода.

Резервирование со схемой голосования, являющееся наиболее важной формой блокирования отказов, было предложено автором работы, который разработал и проанализировал схему тройного резервирования элементов с мажоритарной функцией голосования. Резервирование такого рода стало экономически целесообразным с развитием технологии интегральных схем. Одним из интересных примеров применения этого подхода является ЭВМ пусковой установки ракеты “Сатурн-5”. В этой вычислительной машине применяется тройное резервирование модульной схемы с мажоритарными элементами в центральном процессоре и дублирование в основном запоминающем устройстве.

Для обеспечения отказоустойчивости систем передачи и хранения данных используются разработанные в технике связи коды с обнаружением и исправлением ошибок, а также специальные коды, предназначенные для быстрого кодирования и декодирования. В работе отмечается, что стоимость таких схем примерно в 1,5 раза больше стоимости схем без резервирования.

3.4.5. Динамическое резервирование

При динамическом резервировании влияние неисправностей может проявляться на выходах системы, однако предусматриваются средства их обнаружения, диагностики и устранения. Если возможность вмешательства человека исключается, то посредством динамического резервирования системе придается свойство самовосстанавливаемости. Такой вид резервирования известен еще как резервирование замещением. Исправление ошибок обеспечивается за счет реализации повторных вычислений, например, способом обратного прогона программы до возвращения к некоторой исходной точке программы.

3.4.6. Гибридное резервирование

В этой схеме в любой момент времени три или большее число модулей соединены с мажоритарным элементом. При отказе какого-либо модуля обнаруживается несовпадение его результатов с выходами двух других, и он заменяется резервным [8].

4. Программное обеспечение контроллера

4.1. Разработка алгоритмов обработки данных контроллером

Программное обеспечение системы можно разделить на две группы:

– управляющие программы передающей аппаратуры - контроллера сбора и передачи телемеханической информации;

– программа компьютера.

Программа контроллера ждет сигнала ее вызова с диспетчерского пункта. Пока нет вызовов программа следит за состоянием датчиков пожара, затопления и охранным датчиком. Если от них приходит сигнал, то происходит вызов диспетчерского пункта и сообщается о причине вызова. Как только приходят четыре гудка на модем на пункте учета тепловой энергии, программа отправляет диспетчеру запрос на пароль и следит за состоянием линии связи, чтобы не потерять данные. По приходу пароля его сравнивают с тем, который зашит в ПЗУ данного контроллера и если сравнение прошло успешно, то диспетчер получает доступ к данным на теплосчетчике. Если пароль неверный - модем “кладет трубку” и система возвращается в начальное состояние. Для синхронизации передачи используется асинхронный старт-стоповый режим передачи информации.

Программа компьютера осуществляет прием информационных байтов с пункта учета тепловой энергии и их анализ. По результату анализа данные в удобном для пользователя виде выводятся на экран монитора. Данные также могут быть сохранены в базе данных, в которой хранятся абсолютно все параметры измерений. В программе есть диспетчер регулярного опроса, который по таймеру включается (например: ночью) и автоматически опрашивает все пункты учета тепловой энергии и заносит результаты измерений в базу данных. Существует интерфейсный блок, т.н. монитор данных. Он включает в себя блок статистического анализа, блок мониторинга в режиме реального времени, блок управления модемом, блок формирования отчетов. Блок статистического анализа позволяет производить логические и математические операции над поступившими данными. Блок мониторинга позволяет увидеть в реальном времени поступающие данные и мгновенные их значения. Блок управления модемом позволяет посылать на него различные команды, с помощью которых осуществляется дозвон до пункта учета тепловой энергии и передача данных. В блоке формирования отчетов по заданному образцу создается отчет, который при желании можно вывести на принтер.

4.2. Разработка программного обеспечения

Программа AVR-микроконтроллера - это размещенная в памяти программ последовательность команд, каждая из которых состоит из двоичных кодов операций и двоичных адресов операндов.

Система команд AVR-микроконтроллеров включает команды арифметических и логических операций, команды передачи данных, команды, управляющие последовательностью выполнения программы, и команды операций с битами. Для удобства написания и анализа программ всем операциям из системы команд, кроме двоичного кода, сопоставлены мнемокоды ассемблера (символические обозначения операций), которые используются при создании исходного текста программы.

Специальные программы-трансляторы затем переводят символические обозначения в двоичные коды.

По исходному тексту программы, написанной на языке ассемблера, можно определить время ее исполнения и объем программной памяти, необходимый для ее хранения. Программирование на языке ассемблера является прекрасным средством для того, чтобы прочувствовать архитектуру микроконтроллера и логику его работы. Этому также способствует то обстоятельство, что трансляторы с языка ассемблера распространяются фирмой Атмел бесплатно и доступны всем желающим.

Кроме языка ассемблера, для программирования встраиваемых микропроцессоров широкое распространение получили языки программирования высокого уровня: С и BASIC. Они предоставляют программисту такой же легкий доступ ко всем ресурсам микроконтроллера, как и ассемблер, но, вместе с тем, дают возможность создавать хорошо структурированные программы, снимают с программиста заботу о распределении памяти данных и содержат большой набор библиотечных функций для выполнения стандартных операций.

Важнейшим достоинством системы команд AVR-микроконтроллеров является то, что она была специально оптимизирована для использования языка С.

Вся энергонезависимая память AVR-микроконтроллеров размещается внутри кристалла и состоит из электрически программируемых FLASH-памяти программ и EEPROM-памяти данных.

Так как все команды AVR представляют собой 16-разрядные слова, FLASH- память организована как последовательность 16-разрядных ячеек и имеет емкость от 512 слов до 64K слов в зависимости от типа кристалла.

Во FLASH-память, кроме программы, могут быть записаны постоянные данные, которые не изменяются во время функционирования микропроцессорной системы. Это различные константы, таблицы знакогенераторов, таблицы линеаризации датчиков и т.п.

Достоинством технологии FLASH является высокая степень упаковки, а недостатком то, что она не позволяет стирать отдельные ячейки. Поэтому всегда выполняется полная очистка всей памяти программ. При этом гарантируется, как минимум 1000 циклов перезаписи FLASH-памяти AVR.

EEPROM блок электрически стираемой памяти AVR предназначен для хранения энергонезависимых данных, которые могут изменяться непосредственно на объекте. Это калибровочные коэффициенты, различные установки, конфигурационные параметры системы. EEPROM-память имеет меньшую емкость (от 64 байт до 4К байт), но имеет возможность побайтной перезаписи ячеек, которая может происходить как под управлением внешнего процессора, так и под управлением собственно AVR-микроконтроллера во время его работы по программе.

В энергонезависимой памяти AVR имеется несколько специализированных битов [7].

LOCK-биты (LB1, LB2) предназначены для защиты программной информации, содержащейся во FLASH-памяти. Возможные режимы защиты перечислены в таблице 4.1. Запрограммировав биты защиты, стереть их можно лишь во время очистки FLASH -памяти, которая уничтожает и всю программу.

Таблица 4.1

Режимы защиты программы

FUSE-биты позволяют задавать некоторые конфигурационные особенности микроконтроллера (см. таблицу 4.2).

Микроконтроллеры AT90S1200 имеют FUSE-биты SPIEN и RCEN. Все остальные типы classicAVR конфигурируются при помощи FUSE-битов SPIEN и FSTRT. MegaAVR имеют четыре FUSE-бита: SPIEN, SUT0, SUT1 и EESAVE.

Три энергонезависимых Signature-байта служат для идентификации типа кристалла, программируются на фабрике и доступны только для чтения.

Таблица 4.2

Назначение FUSE-битов

Разнообразные способы программирования AVR-микроконтроллеров обеспечивают простой и удобный доступ к внутренней энергонезависимой памяти во всех возможных ситуациях программирования кристалла.

Для энергонезависимых FLASH и EEPROM блоков AVR предусмотрены параллельный и последовательный способы программирования, которые выполняются под управлением внешнего процессора, а для EEPROM-памяти также возможен способ программной перезаписи под управлением AVR. LOCK-биты могут программироваться как параллельно, так и последовательно. FUSE-биты у младших моделей AVR могут программироваться только последовательно, а у старших - и параллельно, и последовательно.

Параллельное программирование энергонезависимой памяти использует большое число выводов микроконтроллера и выполняется на специальных программаторах. Такое программирование удобно, когда при массовом производстве необходимо "прошивать" большое количество кристаллов.

Последовательное программирование может выполняться прямо в микропроцессорной системе (In System Programming) через последовательный SPI-интерфейс, который использует всего четыре вывода AVR-микроконтроллера. Эта новая возможность является очень важной, так как позволяет обновлять программное обеспечение в уже функционирующей микропроцессорной системе.

4.3. Рекомендации по отладке

Подготовка программы для AVR-микроконтроллера выполняется на персональном компьютере и состоит из следующих этапов:

– создание текста программы;

– трансляция текста в машинные коды и исправление синтаксических ошибок;

– отладка программы, то есть устранение логических ошибок;

– окончательное программирование AVR-микроконтроллера.

Каждый из этапов требует использования специальных программных и аппаратных средств. Ниже перечислены наиболее доступные из них на сегодняшний день.

Базовые программные средства фирмы Атмел распространяются бесплатно, в то время как аппаратные средства имеют свою стоимость.

Следует отметить, что кроме бесплатных программных средств фирмы Атмел, позволяющих программировать только на языке ассемблера, фирмами IAR SYSTEMS, CMX CORPORATION, KANDA SYSTEMS Ltd. и другими разработаны средства поддержки программирования на языках высокого уровня С и BASIC, а также операционные системы реального времени. Эти более сложные и дорогостоящие продукты мы не обсуждаем, но информацию о них и демонстрационные версии можно получить в фирме ЭФО или в Корпорации "Точка Опоры".

Рассмотрим более подробно этапы подготовки программы для AVR Если Вы работаете в среде MS-DOS, то для выполнения первого и второго этапа Вам придется воспользоваться различными средствами. Для создания текста программы подойдет любой текстовый редактор DOS, который формирует на выходе ASCII-файлы, например, встроенный редактор Norton Commander, редактор Multi Edit и т.п. Для трансляции текста программы в коды фирмой Атмел предлагается DOS-версия программы-транслятора AVRASM.

Для работы в среде Windows 3.11/95/NT фирмой Атмел предлагается программа WAVRASM, которая позволяет выполнить создание текста программы и его трансляцию внутри одной оболочки и обеспечивает дополнительный сервис для быстрого поиска синтаксических ошибок в тексте программы.

Результатом Вашей работы на первом этапе является файл <имя_файла>.asm, который содержит текст программы (расширение имени файла обычно указывает на язык программирования) и является входным для программ-трансляторов, которые, в свою очередь, создают четыре новых файла: файл листинга (<имя_файла>.lst), объектный файл (<имя_файла>.obj), файл-прошивка FLASH-памяти (<имя_файла>.hex), файл-прошивка EEPROM-памяти (<имя_файла>.eep).

Файл листинга - это отчет транслятора о своей работе. В нем приводится транслируемая программа в виде исходного текста, каждой строке которого сопоставлены соответствующие двоичные коды. Кроме того, листинг содержит сообщения о выявленных ошибках.

Объектный файл используется в дальнейшем как входной для программы-отладчика AVRSTUDIO и имеет специальный формат. Файлы прошивки FLASH и EEPROM блоков памяти предназначены для работы с любыми последовательными и параллельными программаторами AVR и имеют стандартные форматы.

Следующим этапом подготовки программы является ее отладка, которая может выполняться двумя основными способами: на персональном компьютере при помощи программы-симулятора или в реальной микропроцессорной системе. Два эти способа взаимно дополняют друг друга.

Программа-симулятор AVRSTUDIO отображает на экране компьютера Вашу программу и состояние внутренних регистров AVR. Таким образом, становится возможным наблюдать изменения переменных, которые происходят внутри микроконтроллера при выполнении тех или иных команд программы. Отметим, что в реальной системе при помощи осциллографа невозможно просмотреть состояние внутренних регистров. Использование симуляторов эффективно при отладке подпрограмм, которые выполняют численную обработку внутренних данных.

В то же время, отладку подпрограмм, связанных с какими-либо внешними элементами, удобно выполнять непосредственно в рабочей системе. Например, если микроконтроллер генерирует ШИМ-сигналы, управляющие яркостью свечения светодиодов, то оценить игру красок Вы сможете только глядя на реальный макет.

Для отладки программы в рабочей системе, кроме программных средств, требуются также и аппаратные. Ниже приведены представлены различные варианты построения отладочной системы, отличающиеся своей стоимостью и возможностями.

Наиболее быстрый, не требующий пайки способ построения микропроцессорной системы на основе AVR - это приобретение комплекта AVR STARTER KIT фирмы Атмел, который содержит плату DEVELOPMENT BOARD, книгу "Development tool user's guide", дискеты с программным обеспечением, CD-ROM с полной документацией на все типы AVR и многочисленными примерами прикладных программ для AVR (содержимое дискет и CD-ROM диска можно также найти на данной web-странице). Плата DEVELOPMENT BOARD содержит панельки для подключения базовых типов AVR-микроконтроллеров в DIP-корпусах; источник питания; последовательный программатор, узел интерфейса RS-232 для связи с компьютером по асинхронному последовательному каналу; наборы из 8 светодиодов и из 8 кнопочных переключателей, которые можно подключать к выводам портов микроконтроллера; разъемы, через которые при помощи гибких кабелей можно наращивать микропроцессорную систему. Универсальность DEVELOPMENT BOARD удобна для обучения и для макетирования новых разработок.

Вместе с тем, для многих конкретных проектов может не подойти конструктивная реализация DEVELOPMENT BOARD или избыточным будет использование на этой плате источника питания, последовательного программатора и панелей под различные типы корпусов. В таком случае выполняют специализированную разработку, удовлетворяющую требованиям конкретной задачи.

Одним из важнейших достоинств AVR-микроконтроллеров является то, что все его аппаратные ресурсы "спрятаны" внутри, и поэтому схема включения AVR очень проста. Такая простота и миниатюрность позволяет во многих конкретных приложениях не выносить цифровую часть на отдельную плату, а помещать AVR непосредственно внутри аналогового блока. Для обучения технологии программирования AVR Вы можете собрать макет схемы за 15 минут.

Итак, если Вы решили работать не с платой DEVELOPMENT BOARD, а со своей собственной микропроцессорной системой, то Вам необходимо приобрести еще какое-либо программирующее устройство. Как упоминалось выше, существует два способа программирования AVR-микроконтроллеров: последовательное программирование через SPI-интерфейс и параллельное программирование.

Параллельное программирование, которое требует извлечения AVR-микроконтроллера из системы и установки его в программатор, весьма неудобно на этапе отладки программы.

Для программирования Вашей микропроцессорной системы по SPI-интерфейсу непосредственно в системе фирмой Атмел предлагается программа AVRPROG и программирующий SPI-кабель, в который встроен последовательный программатор.

Кроме того, функцией программирования по последовательному SPI-интерфейсу обладает параллельный программатор FLASHER. Способ отладки микропроцессорной системы при помощи SPI-интерфейса отличается своей дешевизной, но, однако, имеет и недостатки. Во-первых, каждый раз при внесении изменений в программу Вы перепрограммируете FLASH-память микроконтроллера, количество циклов перезаписи которой ограничено хоть и достаточно большим, но все же конечным числом. Во-вторых, описанный способ не дает возможности пошаговой отладки программы.

В связи с этим, фирмой Атмел разработаны более мощные, но и более дорогие внутрисхемные эмуляторы (in-circuit emulator) ICEPRO и megaICEPRO. Они представляют собой микропроцессорные устройства, которые с одной стороны связываются с Вашей микропроцессорной системой через панель, предназначенную для установки AVR-микроконтроллера, а с другой - с персональным компьютером и работают под управлением уже упоминавшейся программы фирмы Атмел AVRSTUDIO.

Внутрисхемные эмуляторы позволяют выполнять программу в Вашей системе в пошаговом режиме и неограниченное число раз вносить изменения в программу. При работе с внутрисхемным эмулятором Вы одновременно можете на экране компьютера наблюдать состояние внутренних ресурсов процессора, а на микропроцессорной плате - реакцию системы на те или иные команды программы.

Завершающим этапом программирования AVR-микроконтроллера является занесение в память уже отлаженной программы. Оно может быть выполнено так же, как и при отладке программы, через SPI-интерфейс. Однако необходимо помнить, что последовательное программирование младших моделей AVR не позволяет изменять FUSE-биты микроконтроллера.

Если в микропроцессорной системе не предусмотрен SPI-интерфейс а также при серийном производстве для повышения скорости программирования большого числа микроконтроллеров удобно использовать программаторы, которые выполняют параллельное программирование. Следует отметить, что параллельные программаторы обычно являются универсальными устройствами и позволяют, кроме AVR, работать и с другими типами микроконтроллеров, с постоянными запоминающими устройствами и микросхемами программируемой логики.

Фирма ЭФО предлагает два типа программаторов, поддерживающих программирование AVR-микроконтроллеров. Программатор FLASHER может выполнять как параллельное программирование, так и последовательное через SPI-интерфейс. Универсальный программатор СТЕРХ поддерживает лишь параллельное программирование.