Informatica Industriala

Informatica Industriala Cursul 3 Componente utilizate in sistemele digitale de control (continuare)

Procesoare digitale de semnal (DSP – Digital Signal Processors) • Procesoare specializate pentru aplicatii in care domina operatiile de prelucrare a semnalelor • Necesitatea: • procesoarele uzuale nu satisfac cerintele de viteza pentru semnale de frecventa mai mare • schemele analogice au limitari de performanta, de complexitate • Avantaje ale procesarii digitale a semnalelor: • imunitate mai mare la zgomot (datorită diferenţei relativ mari între cele două stări logice, zero şi unu) • precizie mai mare • rezultatul prelucrării nu depinde de variaţiile de mediu (temperatură, umiditate) sau de variaţii ale tensiunilor de alimentare • pot fi implementate procedee complexe de prelucrare (exemplu: filtre cu un număr mare de poli), a căror implementare analogică este dificilă sau chiar imposibilă datorită preciziei limitate a componentelor • repetabilitatea în timp a procedeelor de prelucrare • modificarea procedeului de prelucrare nu implică modificarea schemei hardware (modificarea se face prin rescrierea programului de prelucrare)

Operatii specifice de prelucrare a semnalelor • Tipuri de operatii: • filtrare, amplificare, atenuare • convolutie • transformate: Fourier, Laplaze, Z • Din punct de vedere matematic: • integrala de convolutie intre semnalul de prelucrat si functia de prelucrare + y(t)=  f()x(t-)d - Unde: -x(t) – functia de intrare -y(t) – functia de iesire -f(t) – functia de transformare (prelucrare)

In domeniul digital + y(nT)=f(kT)* x(nT-kT) k=- unde: - y(nT) – semnalul discret de ieşire (eşantionul n) - x(nT) – semnalul discret de intrare - f(kT) – funcţia discretă de transformare - T – perioada de esantionare • interpretare: iesirea y la momentul nT este o suma ponderata a intrarii x la momente in jurul momentului nT • functia de transformare f are valori diferite de 0 in jurul originii (k=0) • practic, suma de convolutie are un numar finit de termeni • daca T se considera unitatea de timp atunci se poate omite

Exemple: • Filtru “trece jos” – mediere, eliminare zgomote y(n) =(1/3)*[x(n-1)+x(n) +x(n+1)] – media aritmetica a intrarilor din jurul momentului n 1/3 pt. k=-1, 0, 1 f(k) = 0 in rest • Filtru “trece sus” – gradient y(n) =x(n)-x(n-1) – diferenta intre doua valori consecutive ale intrarii 1 pt. k=0 f(k) = -1 pt. k=-1 0 in rest

Magistrala de program Magistrala de date 16 biţi Deplasare MUX Multiplicator paralel 32 biţi Deplasare MUX UAL Acumulator Deplasare Caracteristici arhitecturale ale procesoarelor de semnal • asigura executia in timpul cel mai scurt a sumei de convolutie • Caracteristici arhitecturale: • existenta unei Unitatea de multiplicare şi acumulare repetitivă (eng. MAC – Multiply and Accumulate)

Caracteristici arhitecturale: • Instrucţiuni complexe de multiplicare şi acumulare • mai multe variante posibile • Magistrale interne multiple • magistrala de date • magistrala de cod • Memorie internă pentru date şi pentru program • arhitectura Harvard • Seturi multiple de registre interne • timp de acces mai bun • instructiuni mai scurte • Moduri de adresare orientate pe şiruri • adresare indexata (cu incremetarea automata a indecsilor) • adresare circulara – buffer circular

Structura interna a unui procesor de semnal (exemplu TMS320C25) Magistrala de program Controlor de magistrală PC Comenzi Mem. de program ROM Stiva Adrese Date Reg. spec Magistrala de date AR0-7 DP ARP MAC B1 B0 RAM RAM B2 RAM

Componentele procesorului TMS320C25 • RAM – blocuri de memorie RAM: • B0 - 256x16 biţi – memorie pentru date şi program; • B1 - 256x16 biţi – memorie pentru date • B2 - 32x16 biţi – memorie pentru date • ROM – memoria internă pentru program (memorie nevolatilă) • MAC – modul de multiplicare şi adunare • AR0-7- registre auxiliare (registre generale) • ARP – indicator către registru auxiliar • DP – indicator de domeniu • PC – numărător de instrucţiuni (Program Counter)

Familii de procesoare de semnal: • procesoare pe 16 biţi în virgulă fixă: TMS320C10, TMS320C20 şi TMS320C50 • procesoare pe 32 de biţi în virgulă flotantă: TMS320C30 şi TMS320C40 • arhitectură multiprocesor orientată către aplicaţii multimedia: TMS320C80

Aplicatii ale procesoarelor de semnal • in domeniul industrial: • acţionări electrice şi controlul motoarelor • instrumente de măsură şi analiză • spectrometre • analizoare de vibratii • aparate de masura complexe • Telecomunicatii • centrale telefonice • filtrare, codare/decodare on-line • telefonie mobila • modemuri Divertisment • instrumente muzicale, • jucării electronice • sintetizatoare de sunet, efecte speciale • Aplicatii grafice • acceleratoare grafice 3D, • prelucrarea primară şi recunoaşterea imaginilor,

Calculatoare de proces • sisteme de calcul cu caracteristici adecvate mediului industrial: • dimensiuni si forme specifice • fiabilitate ridicata, toleranta la defecte • rezistente la socuri mecanice, vibratii • tolerante la variatii de temperatura, umiditate • tolerant la personal necalificat • tolerant la influente electromagnetice • Touch-screen, butoane functionale

Caracteristici – calculatoare de proces • structură compactă, modularizată, de dimensiuni minime • robusteţe şi fiabilitate ridicată obţinute prin componente mecanice solide, conectori rezistenţi la vibraţii, praf şi coroziune, componente electronice testate în condiţii de mediu extreme • interfaţă utilizator adaptată funcţiei pe care o îndeplineşte şi care rezistă în mediile industriale (taste funcţionale, tastatură protejată la praf şi umiditate, touch-screen, afişaj LCD, dispozitive de navigare fără componente mecanice, ecran protector rezistent la şocuri, etc.) • memorii externe pe suport semiconductor (EEPROM, FLASH, CMOS) în locul celor magnetice şi optice care au anduranţă mică în prezenţa prafului industrial şi a vibraţiilor • prezenţa unor interfeţe pentru adaptarea semnalelor digitale şi analogice provenite de la procesul controlat; în multe cazuri se impune izolarea galvanică a acestor semnale de partea de calculator propriu-zis • se înlocuieşte structura “placă de bază şi plăci de extensie” tipică pentru calculatoarele de birou, cu o structură alcătuită dintr-un set de conectori (“fund de sertar”) şi plăci funcţionale, inclusiv placă procesor; o astfel de structură permite înlocuirea şi reactualizarea (up-grade-ul) diferitelor componente, chiar şi a plăcii de procesor

sisteme modulare PC/104 PLC (Programable Logic Controller)– Programatoare logice programabile Alte sisteme de calcul industriale • regulatoare PID

PLC • control secvential • logica binara – inlocuitor pentru schemele de interconditionare cu relee • programare (standard IEC 61131 ): • Ladder diagram (LD), graphical • Function block diagram (FBD), graphical • Structured text (ST), textual – limbaj de nivel inalt • Instruction list (IL), textual – tip asamblare • Sequential function chart (SFC ) – programare concurenta

Lader Diagram (LD) Function Block Diagram (FBD) S = X AND ( Y OR Z ) ----[ ]---------|--[ ]--|------( ) X | Y | S | | |--[ ]--| Z --+----[ ]--+----[\]----( ) | start | stop run | | +----[ ]-- + run -------[ ]--------------( ) run motor FTJ Amp. FTS Logica Start/Stop

Sisteme de stocare a datelor (memorii) • Obiective: • stocarea programului de aplicatie • stocarea datelor de proces: • parametri de proces • starea procesului • Limitari si restrictii: • dimensiuni reduse: • pentru program 1k-64k • pentru date: 128-512 octeti • se evita folosirea memoriilor externe pe suport magnetic sau optic (cele care au componete mecanice in miscare) • se evita utilizarea memoriilor cache sau a memoriilor virtuale deoarece introduc nedeterminism

Memorii – limitari si restrictii (cont.) • utilizarea memoriilor nevolatile – pentru evitarea pierderii datelor si a programelor • PROM, EPROM – pentru program • EEPROM, Flash – pentru date nevolatile (scrieri repetate) • memorii CMOS cu baterie - pastrarea datelor la tensiuni mici (1,5V) si consum infim • utilizarea memoriilor RAM statice pt. simplitate si pt. viteza • circuite specializate pentru detectarea caderii de tensiune si comutarea memoriei in regim de stocare (ex: MAX 6340, MAX 6381 ) • pentru microcontroloare, extensii de memorie pe canal serial (I2C) • memorii seriale • memorii externe pe suport semiconductor (ex. memory stick)

Informatica Industriala